lab maquinas electricas - generador síncrono

5/23/2018 Lab Maquinas Electricas - Generador S ncrono

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NDICE

Pgina

1. Introduccin... 2

2. Objetivos. 2

3. Equipos e instrumentacin.. 2

4. Fundamento terico.. 2

4.1. Aspectos generales de un generador sncrono... 2

4.2. Tipos de generadores sncronos 4

4.3. Parmetros de un generador sncrono. 5

5. Temas de la prctica de laboratorio...... 8

5.1. Determinacin de la curva caracterstica de vaco. 8

5.2. Determinacin de la curva caracterstica de cortocircuito10

5.3. Determinacin de la impedancia sncrona. 12

5.4. Determinacin de la curva caracterstica de regulacin.. 13

5.5. Determinacin de la curva caracterstica de exteriores... 14

5.6. Determinacin de la curva caracterstica de carga.. 15

6. Observaciones... . 16

7. Conclusiones....... 16

8. Bibliografa.......... 17


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1. Introduccin

En este laboratorio conoceremos el generador sncrono y sus tipos. Los ensayosse basarn en determinar las curvas caractersticas de vaco, de cortocircuito, deregulacin, de exteriores y de carga. Adems, se cuenta con los instrumentos

adecuados para la correcta toma de datos que nos permita trazar las curvashalladas experimentalmente.

2. Objetivos

Describir la mquina sncrona trifsica. Conocer las caractersticas de funcionamiento de la mquina sncrona como

generador. Determinar sus parmetros tpicos. Determinar las curvas caractersticas del generador sncrono.

3. Equipos e instrumentacin

Ampermetro de 015 A Ampermetro de 02,5 A Ampermetro de 06 A Multmetro digital Fluke 189 Multmetro digital Fluke 10 Carga resistiva trifsica, regulable Carga inductiva trifsica, regulable Carga capacitiva trifsica, regulable

Motor de arrastre (motor primo) de CC tipo shunt Generador sncrono trifsico Fuente de corriente continua de 0 -220 V regulable para el motor primo Fuente de corriente continua 110 V para la excitacin del generador

4. Fundamento terico

4.1 Aspectos generales

Se le llama mquina sncrona debido a que puede funcionar a la velocidad desincronismo; es decir, que la relacin entre la velocidad del flujo inducido y lavelocidad mecnica del eje es exacta. Al igual que las mquinas asncronas,constan de dos componentes principales, que son el estator y el rotor,constituyendo el circuito magntico de la mquina.

Las mquinas sncronas tienen la particularidad de trabajar como motor o comogenerador (alternador). Este ltimo funciona si se le aplica un voltaje de CC en elcampo de excitacin del rotor que, a la vez, es movido por una fuente externa, msconocido como motor primario, que da lugar a obtener un campo magnticogiratorio que atraviesa los conductores del estator. As se induce un voltaje entrelos terminales del generador. El motor sncrono opera cuando el estator esalimentado con voltaje trifsico de CA y, consecutivamente, el rotor es alimentadocon voltaje de CC.

El generador sncrono consiste en un electroimn girando, llamado rotor cilndrico,al lado de una bobina, estator conectado en estrella, el cual, por efecto de la


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rotacin del rotor, va a inducir tensin trifsica en el estator. Para esto debe haberuna velocidad relativa entre el rotor (tambin llamado campo) y el estator (oarmadura) (ver figura 1).

Figura 1. Esquema simple de un generador sncrono.

El motor del generador es impulsado por un motor primario, lo cual producir uncampo magntico giratorio dentro de la mquina. Este motor primario puedeprovenir de cualquier fuente; por ejemplo, motor de combustin interna, turbina agas, turbina a vapor, etc. En la figura 2 se muestran los flujos de energa en ungenerador sncrono.

Figura 2. Flujos de energa en un generador sncrono.

Con esta descripcin, se puede deducir el circuito equivalente del generador

sncrono. Debido a que el rotor es el elemento inductor de flujo, ahora esterepresentara el circuito primario del sistema. Mientras que el estator sera elcircuito secundario (ver figura 3).


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4

Figura 3. Circuito equivalente de un generador sncrono.

Los alternadores son la fuente ms importante de energa elctrica y generanvoltajes de CA cuya frecuencia depende totalmente de la velocidad de rotacin ydel nmero de polos. El valor del voltaje generado depende de la velocidad, de laexcitacin de campo y del factor de potencia de la carga.

4.2 Tipos de generadores sncronos

Por su tipo de construccin, las generadores sncronos se clasifican en: Campogiratorio y armadura giratoria.

Un generador sncrono de campo rotatorio tiene una armadura estacionariallamada estator y el campo inductor se encuentra en el rotor. El devanado trifsicodel estator est conectado directamente a la carga, lo cual tiene la ventaja de notener que pasar por grandes anillos colectores y escobillas. Una armadura

estacionaria facilita tambin el aislamiento de los devanados porque no estnsujetos a fuerzas centrfugas. Por otro lado, el de armadura giratoria posee sucampo magntico inductor en el estator; sin embargo, es muy poco usado ysolamente existen casos en mquinas de baja potencia.

Para los generadores sncronos de campo giratorio se pueden clasificar, a su vez,por el tipo de rotor: De polos salientes y de rotor cilndrico.

a) De polos salientes: Se utilizan en rotores de cuatro a ms polos, por lo tanto,estar sometido a bajas velocidades.Se usa en la mayora de las mquinascon generadores impulsados por motor con clasificaciones de 20 kVA a ms.Los rotores de polos salientes son definidos como superficies de polo ensaliente de la superficie del rotor. Los devanados generalmente se enrollanalrededor de estos polos. Se emplean ms en turbinas hidrulicas.

b) Rotor cilndrico: Se utilizan en rotores de dos a cuatro polos, por lo tanto, estarsometido a altas velocidades. Tambin se le conocen como rotores de poloslisos, debido a que un polo magntico est construido al mismo nivel de lasuperficie del rotor. Se emplean ms en turbinas de vapor grandes y turbinasde gas.

Un esquema simple de estos tipos de rotores se puede ver en la figura 4. Unesquema ms real se encuentra en la figura 5.


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5

Figura 4. Tipos de rotores.

Figura 5. Rotor de polos salientes (izquierda) y rotor cilndrico (derecha).

4.3 Parmetros de un generador sncrono

Alternador en vaco

El voltaje de salida de un alternador tambin depende del flujo total que se tengaen el entrehierro, cuando est en vaco este flujo se establece, y se determinaexclusivamente mediante la excitacin de campo de CD.

Cuando el alternador trabaja en vaco, no hay cada de tensin y la tensin desalida coincide con la fem inducida (ver figura 6).


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6

Figura 6. Circuito del rotor trabajando en vaco.

Alternador en cortocircuito

La caracterstica de cortocircuito representa la relacin entre la corriente delinducido y la de excitacin, funcionando la mquina a su velocidad nominal y con

los bornes de salida en cortocircuito. Por lo tanto, para una tensin en bornes iguala cero, se obtiene lo siguiente:

()

()

La forma de la caracterstica es lineal y para valores muy elevados de la corrientede excitacin, la curva se flexiona ligeramente (ver figura 7).

Figura 7. Curva de cortocircuito de un generador.


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7

Alternador con carga

Cuando se tiene carga en un alternador, el flujo en el entrehierro quedadeterminado por las Ampervueltas del rotor y los Amper- vueltas del estator.

El voltaje EV es el voltaje interno generado en una fase del alternador. Sinembargo, este voltaje EVno es usualmente el voltaje de fase que aparece en lasterminales de generador. La nica vez en el cual el voltaje interno EVes igual alvoltaje de salida U de una fase, es cuando no fluye corriente de armadura en lamquina.

Los efectos de la reaccin del inducido y la autoinductancia de la mquina sonrepresentados por reactancias, y es costumbre combinarlas en una sola llamadareactancia sincrnica de la mquina.

Por lo tanto, la ecuacin que describe una fase del alternador (ver figura 8) es lasiguiente:

()

Figura 8. Circuito del rotor trabajando con carga.

Con la relacin vectorial de cada valor obtenido, se puede deducir diferentesrelaciones para diferentes tipos de carga (ver figura 9).


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8

Figura 9. Fasores para diferentes cargas.

5. Temas de la prctica de laboratorio

5.1 Determinacin de la curva caracterstica de vaco

Para este ensayo se realizar el montaje como en la figura 10.

Figura 10. Circuito de ensayo de vaco.


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9

Se realizaron las siguientes operaciones:

Se mantuvo la frecuencia constante todo el ensayo, y por lo tanto lavelocidad del motor primo.

Se midi la corriente de excitacin (Iex), hasta obtener una tensin desalida de 25 % mayor que la nominal.

La primera toma de medidas se hizo subiendo la tensin y la corriente, lasegunda se hizo bajando dichos valores despus de haber alcanzado elmximo valor nominal de corriente. Al final se desconect la excitacin y semidi la tensin remanente.

Los resultados obtenidos durante este ensayo se reflejan en las tablas 1 y2.

Tabla 1. Datos de la curva caracterstica de vaco (creciente)

V (V) Iex(A) RPM

4.63 0.0 1500142.5 0.5 1500168.1 0.6 1500187.6 0.7 1500211 0.8 1500

227.1 0.9 1500243.5 1.0 1500269.5 1.2 1500288 1.4 1500

304.8 1.6 1500

Tabla 2. Datos de la curva caracterstica de vaco (decreciente)

Vo(V) Iex (A) RPM

304.8 1.6 1500290 1.4 1500

271.5 1.2 1500246.2 1.0 1500212.8 0.8 1500190 0.7 1500169 0.6 1500

140 0.5 1500126 0.4 15006.08 0.0 1500

En la figura 11 se representa la forma de la curva caracterstica de vaco quese obtiene con los datos tomados. En ella se observa dos tramos, el quecorresponde a los valores crecientes (azul) y el que corresponde a los valoresdecrecientes (rojo), siendo ste ltimo ms elevado a causa de la histresis delcircuito magntico.


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5.2 Determinacin de la curva caracterstica de cortocircuito

Para este ensayo se realizar el montaje del circuito de la figura 12.

Figura 12. Circuito para ensayo de cortocircuito.

0

50

100

150

200

250

300

350

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

Tensindevaco,

Vo,

(V)

Corriente de excitacin, Iex, (A)

Curva de histeresis -

Subida

Curva de histeresis -

Bajada

Figura 11. Curva caracterstica de vaco.


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Se realizaron las siguientes operaciones:

El generador se accion a la velocidad correspondiente a su frecuencianominal (50 Hz) y sus tres fases correspondientes estarn puestas encortocircuito, como se indica en la figura X.

Se coloc un ampermetro para medir la corriente de excitacin (Iex) y otro

para medir la corriente de cortocircuito (Icc). Los datos obtenidos en este ensayo en cortocircuito se reflejan en la tabla

3.

Tabla 3. Datos de la curva de cortocircuito

Icc (A) Iex (A) RPM

2.5 0.48 15003.0 0.52 15003.5 0.62 15004.0 0.7 1500

4.5 0.8 15005.0 0.89 15005.5 0.99 1500

En la figura 13 se muestra una grfica con las corrientes de cortocircuito enfuncin de los distintos valores de la corriente de excitacin. Como se puedeobservar se obtuvo una grfica de tendencia de lineal que pasa por el origen.

Figura 13. Curva caracterstica de cortocircuito.

0

1

2

3

4

5

6

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Co

rrientedecortocircuito,

Icc,

(A)


Curva de Cortocircuito


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12

5.3 Determinacin de la impedancia sncrona

Se denomina impedancia sncrona a la relacin entre la tensin de vaco y lacorriente de cortocircuito, para un valor determinado de la intensidad deexcitacin.

En la tabla 4 se muestran los valores de impedancia sncrona para 6 valores decorriente de excitacin.

Tabla 4. Valores de impedancia sncrona

Iex(A) Icc(A) Vcc(V) ZS

0.5 3 142.5 47.50

0.6 3.5 168.1 48.03

0.7 4 187.6 46.90

0.8 4.5 211 46.89

0.9 5 227.1 45.421 5.5 243.5 44.27

En la figura 14 se observa una curva aproximada de la impedancia sncrona.Esta se obtuvo a partir de las dos curvas anteriores de vaco y cortocircuito.

{

44.00

44.50

45.00

45.50

46.00

46.50

47.00

47.50

48.00

48.50

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Impedanciasncrona,

Zs


Impedancia sncrona, Zs

Figura 14. Impedancia sncrona


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5.4 Determinacin de la curva caracterstica de regulacin

Para los siguientes 3 ensayos con carga, se realiz el montaje que se apreciaen la figura 15.

Figura 15. Circuito para las curvas caractersticas del generador sncrono.

Se realizaron las siguientes operaciones: Estando el generador (alternador) en vaco a una velocidad constante, se

actu sobre la excitacin para llegar a la tensin a su valor nominal,

anotndose el valor de la corriente de excitacin (Iex). A continuacin se conect la carga, ya sea resistiva, capacitiva o inductiva,

y se hace funcionar el generador sobre dicha carga.

Se regul de nuevo la excitacin para mantener constante la tensin y lavelocidad y luego se anotaron los valores de corriente suministrada (Ia) ycorriente de excitacin (Iex)

Los resultados obtenidos se reflejan en la tabla 5.

Tabla 5. Datos del ensayo de regulacin

Carga Resistiva Carga Inductiva Carga CapacitivaIa (A) Iex (A) Ia (A) Iex (A) Ia (A) Iex (A)

1 0.9 1.5 1.18 1.1 0.76

1.7 0.94 1.8 1.25 1.45 0.71

2.2 1 2.3 1.35 2.25 0.6

2.7 1.02 2.8 1.42 2.6 0.55

3.7 1.12

En la figura 16 se observa el comportamiento de la corriente de excitacin para

una carga resistiva (azul), una carga inductiva (rojo) y una carga capacitiva(verde).


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5.5 Determinacin de la curva caracterstica de exteriores

Se realizaron las siguientes operaciones: Estando el generador en vaco se regul la corriente de excitacin (Iex)

hasta obtener la tensin nominal (Vt). Se anotaron los distintos valores de tensin y de corriente para los distintos

valores de carga, manteniendo constantes la corriente de excitacin (Iex),la velocidad y el factor de potencia. Las cargas ensayadas fueronpuramente resistivas, capacitivas e inductivas.

Los valores obtenidos se reflejan en la tabla 6.

Tabla 6. Datos del ensayo de exteriores

Carga resistiva(Iex=1,5 A)

Carga Inductiva(Iex=1,6 A)

Carga Capacitiva(Iex=1,2 A)

Vt (V) Ia (A) Vt (V) Ia (A) Vt (V) Ia (A)

304 0 304.5 0 269.3 0

301.1 1.1 287.6 1 287.5 1.2

298.6 1.8 270.8 1.8 288 1.8

295.1 2.9 258.8 1.9 294.5 2.32

291.9 2.85 244 3 304.2 3.1

288.6 3.1 232.5 3.5 318 4

218.4 4

201.8 4.5

183.8 5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Corrientedeexcitacin,

Iex,(A)

Corriente suministrada, Ia, (A)

C. Resistiva

C. Inductiva

C. Capacitiva

Figura 16. Curva caracterstica de regulacin.


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15

166.7 5.5

En la figura 17 se muestra la curva de exteriores para carga resistiva (azul),carga inductiva (rojo) y carga capacitiva (verde).

5.6 Determinacin de la curva caracterstica de carga

Se realizaron las siguientes operaciones: Se hizo funcionar el generador sobre la carga, ya sea resistiva, capacitiva o

inductiva, para un valor de la corriente suministrada constante (Ia) Se aument progresivamente el valor de la corriente de excitacin (Iex) y

por tanto la tensin en bornes del generador, mientras se regulaba la cargapara mantener constante la corriente suministrada (Ia)

Los valores obtenidos se reflejan en la tabla 7.

Tabla 7. Datos del ensayo de carga

Carga Resistiva(Ia=2 A)

Carga Inductiva(Ia=3 A)

Carga Capacitiva(Ia=2 A)

Vt (V) Iex (A) Vt (V) Iex (A) Vt (V) Iex (A)

121.5 0.54 242.7 1.6 216.5 0.61

162.9 0.7 198 1.3 280.4 1

227.8 1.1 158.6 1.12 329.1 1.75

295.8 1.6 115.1 0.9674.7 0.8

0

50

100

150

200

250

300

350

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6

Tensinde

lgenerador,Vt,(V)

Corriente suministrada, Ia, (A)

C. Resistiva

C. Inductiva

C. Capacitiva

Figura 17. Curva caracterstica de exteriores


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16

51.1 0.72

En la figura X se muestra la curva caracterstica de carga para una cargaresistiva (azul), carga inductiva (rojo) y carga capacitiva (verde).

Figura 18. Curva caracterstica de carga.

6. Observaciones

Para los ensayos de vaco y cortocircuito se debe mantener la frecuenciaconstante para que la velocidad del motor primo sea constante. Esto se debe aque para una velocidad constante, el valor de la fem inducida es funcin delflujo y por tanto de la corriente de excitacin, V0=f (Iex).

Las curvas caractersticas de regulacin (tensin constante), de exteriores(excitacin constante) y de carga (corriente de carga constante) obtenidas en

este laboratorio se comportan de manera esperada de acuerdo a la literaturade generadores sncronos.

7. Conclusiones

De los datos del ensayo en vaco, se deduce que al quitar la tensin en vaco elcircuito queda magnetizado, es decir, hay una tensin remanente a pesar de noexistir corriente de excitacin.

Cuando el circuito magntico se satura, la grfica de la curva caracterstica devaco muestra que para incrementos mnimos de la tensin en la fem inducida

se requiere grandes valores de la corriente de excitacin.

0

50

100

150

200

250

300

350

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Tensind

elgenerador,Vt,(V)


C. Resistiva

C. Inductiva

C. Capacitiva


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De la grfica de la impedancia sncrona se concluye que la impedanciasncrona es variable y se reduce o disminuye cuando se aumenta la corrientede excitacin, esto es un efecto de la saturacin magntica.

De la curva caracterstica de regulacin podemos deducir que para cargasinductivas, ante aumentos de la corriente de carga, la corriente de excitacin

deber aumentar de considerablemente para mantener la tensin constante.En el caso de cargas capacitivas, la corriente de excitacin disminuye con lacarga para mantener la tensin constante.

De la curva caracterstica de exteriores, se deduce que con cargas de carcterinductivo, el efecto desmagnetizante del flujo toma valores considerables, quejunto a las cadas hmicas y reactivas, provocan grandes cadas de tensincon la carga. En el caso de cargas capacitivas, el efecto magnetizante del flujoprovoca aumentos de tensin con la carga.

8. Bibliografa

Mquinas elctricas. Tema 4: Mquina sncronas. Universidad de Alcal.Departamento de Teora de la Seal y Comunicaciones.

Mquinas sncronas y de CD Manual de Asignatura. Universidad Tecnolgicade Puebla.

Mquinas Elctricas II. Tema 2: Generador sncrono. Universidad de CostaRica, Facultad de Ingeniera. Ing. scar Snchez Salazar.

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