Informe N 3 Mquina Sncrona: Generador

Harold Francisco Mazo Mantilla 223371 Michael Andrs Salcedo Merchn 223381 Juan Pablo Castillo Suarez 222907 Carlos Daniel Pea Sierra 223050 Daniel Alberto Snchez Tovar 223174 Diego Sebastin Muoz Pinzn 223156

Profesor: Henry Camilo Torres

Laboratorio de Conversin Electromagntica Facultad de Ingeniera

Universidad Nacional de Colombia 09 de Junio de 2014

Bogot D.C.

1. Objetivos Como objetivos a superar con la realizacin de esta prctica, se proponen los siguientes tems:

Identificar y caracterizar las partes del generador sncrono. Caracterizar los devanados, terminales e impedancias respectivas de los devanados

del generador sncrono. Obtener la curva caracterstica de corto circuito del generador sncrono. Obtener la curva caracterstica de circuito abierto del generador sncrono. Obtener los parmetros del circuito elctrico que modela al generador sncrono.

2. Conceptos bsicos

A) Generador sncrono:

Los generadores sincrnicos o alternadores son mquinas sincrnicas que se usan para convertir potencia mecnica en potencia elctrica de ca [1]. Su principio de funcionamiento consiste en excitar un flujo en el rotor y de esta forma inducir una tensin en el estator. Existen diferentes tipos de generadores sncronos:

Excitacin independiente: excitatriz independiente de corriente continua que alimenta el rotor a travs de unos anillos y escobillas rozantes.

Excitatriz principal y excitatriz piloto: la mquina principal de corriente continua usa una mquina de excitacin independiente como bobinado de campo accionada por el mismo eje.

Electrnica de potencia: se rectifica la seal con un rectificador controlado desde

la salida trifsica del generador, y desde ste se alimenta en corriente continua el rotor mediante un grupo de contactores (anillos y escobillas).

Sin escobillas, o diodos giratorios: en este caso se usa un rectificador no

controlado como fuente DC situado en dentro del mismo rotor alimentado en AC por un generador situado tambin en el mismo eje y cuyo bobinado de campo es excitado desde un rectificador controlado que rectifica la seal generada por el giro de unos imanes permanentes situados en el mismo rotor (que constituyen la excitatriz piloto de AC).

Excitacin esttica: en este caso el devanado de campo del rotor es alimentado

desde una fuente de alimentacin a un transformador y rectificadores que toman la tensin y corriente de salida del estator. El transformador convierte la tensin de salida a una ms baja (30 V aprox.), que se rectifica y aplica al rotor por medio de escobillas y anillos deslizantes.

B) Partes principales de la mquina sncrona:

Figura 1.1. Principales partes de un generador sncrono[2].

Las dos partes principales de un generador son: el rotor y el estator. El rotor que es la parte que realiza el movimiento rotatorio y consta de un devanado de campo (Ver en la Figura 1.1 bobinado de rotor) que tiene como funcin producir un campo magntico constante que interacta con el campo producido por el bobinado del estator. Tambin est constituido por unos anillos y escobillas que permiten que el rotor sea alimentando por una fuente DC. El estator es la parte fija del generador y que envuelve al rotor permitiendo as que ste gire en su interior. Al igual que el rotor, posee un bobinado conocido como devanado de armadura que es alimentado por un sistema de tensiones trifsicas. El estator est protegido por una carcasa debido a que es la parte ms externa del generador.

C) Modelado de generador sncrono (pruebas):

En un generador se pueden realizar tres tipos de pruebas: prueba DC, prueba de circuito abierto (o vaco) y prueba de cortocircuito. La prueba DC consiste en conectar una fuente DC en los terminales de cada fase de la armadura haciendo la conexin voltmetro-ampermetro y de esta manera determinar la resistencia de armadura. Esta prueba se realiza de acuerdo con la Figura 1.2.

Figura 1.2. Prueba DC en el generador sncrono.

La segunda prueba, la prueba de circuito abierto se puede observar en la siguiente imagen:

Figura 1.3. Prueba de circuito abierto en el generador sncrono.

Como se puede observar, se desconectan todas las cargas del generador haciendo que se genere una tensin entre los terminales de armadura pero con una corriente de armadura de 0 A. La siguiente imagen muestra el modelado del generador sncrono para la prueba de cortocircuito:

Figura 1.4. Prueba de cortocircuito en el generador sncrono.

En esta prueba lo terminales de armadura se cortocircuitan por lo que la tensin en los terminales ser de 0 V y la corriente de armadura llegar a su valor nominal.

3. Descripcin de la prctica

El laboratorio se desenvuelve en torno a la descripcin de la mquina sncrona como generador, teniendo en cuenta aspectos como valores de reactancias y resistencias (impedancia sincrnica) internas de la mquina, mediante la implementacin de las pruebas de corto circuito y prueba en vaco, de regulacin de tensin y bajo carga (este ltimo para la operacin como generador) y ensayos de polaridad. Para ello, de forma inicial se realizaran pruebas que permitirn cumplir con los siguientes objetivos:

Identificar los bornes de conexin de la mquina: De forma inicial, se caracterizan las borneras disponibles para la conexin, de la relacin bornera-devanado (qu bornera pertenece a que devanado). Para ello, se implementar de forma inicial un circuito de baja tensin (15 [V]) a 60 [Hz] conectado a un circuito serie compuesto

por un par de bornes y un restato, con el fin de determinar qu pares de borneras son un nodo y cules pertenecen a un devanado (bobinado): una cada de tensin en el restato inferior a la suministrada para la prueba, indicara que el par de nodos pertenecen a una bobina, de otra forma indicaran un nodo. Cabe notar que en este procedimiento, se debe identificar el devanado de campo, cuya aplicacin ser vital en la variacin de la corriente de campo en las pruebas de corto circuito y circuito abierto.

Determinar la polaridad de los bobinados de la mquina: La polaridad de los bobinados se puede determinar mediante la conexin mutua entre dos bobinados de la mquina, posteriormente, se procede a energizar uno de los dos devanados, ante lo cual se mide la tensin que cae en uno de los nodos y, dependiendo del valor de esta tensin respecto de la aplicada, se puede determinar la polaridad de la bobina.

Prueba DC: Mediante la implementacin de esta prueba, se hace posible la determinacin de la resistencia de armadura (RA). Para ello, se aplica una tensin DC a dos de los terminales de la armadura, midindose la corriente obtenida y, dependiendo de la configuracin de conexin, delta o estrella, se determina el valor de la resistencia de armadura (el valor de / es 2 para una conexin estrella y para una conexin en delta).

Prueba de circuito abierto-vaco: La implementacin de esta prueba se realiza mediante la desconexin de todos los terminales de carga de la mquina, funcionando a su velocidad nominal, de forma que la corriente de armadura (IA) sea 0 [A]. Hecho esto, la tensin en bornes es la tensin interna generada por la mquina, y variando la corriente de campo (IF) en el devanado de campo desde 0 [A] hasta su valor nominal. Este barrido de datos (hasta la tensin nominal de campo), permitir obtener tanto la curva caracterstica de circuito abierto, como la tensin interna generada (importante a corriente de campo nominal).

Prueba de cortocircuito: La realizacin de la prueba de cortocircuito se lleva a cabo mediante la ubicacin de un corto circuito entre las terminales del circuito de armadura, a partir de la cual, y mediante la variacin (nuevamente al igual que en el caso de la prueba de circuito abierto) de la corriente de campo (IA) desde 0 [A] hasta su valor nominal, se procede a medir la corriente por el circuito de armadura (IA, a travs del cortocircuito) o de lnea (IL, para una conexin delta). Mediante esta variacin, se puede obtener la recta caracterstica de cortocircuito (SCC). adems de obtener el valor de la corriente de armadura (de lnea para conexin delta) a la corriente de campo nominal. Este ltimo parmetro, en conjunto con el de la tensin interna generada (obtenida de la prueba de circuito abierto) y la resistencia de armadura (obtenida de la prueba DC9, permitirn obtener el valor de la reactancia sincrnica. Cabe notar que se puede despreciar el efecto de la resistencia de armadura, pero para efectos de exactitud, se manipulan ambos datos.

4. Resumen de los resultados de las prcticas

Caracterizacin de la mquina Para la identificacin de los bornes mostrados en la figura 4.1.a, se empez por determinar los parmetros mostrados en la placa de caractersticas de la mquina mostrada en la figura

4.1.b, en donde se muestra que la resistencia del devanado de campo es de 47.2 .

(a)

(b)

Figura 4.1 a) Borneras de la mquina sncrona. b) Placa de caractersticas de la mquina sncrona.

Por tanto el procedimiento que se sigui fue: por medio del multmetro se prob continuidad entre cada par de bornes, en lo que se observ que hay continuidad entre los bornes 1-4, 2-5, 3-6, 7-10, 8-11 y 9-12, adems de continuidad entre los bornes inferiores 1-2, pero esta prueba por el momento da informacin de la independencia que tienen los bornes. Una vez realizadas las pruebas para la caracterizacin de los bornes de la mquina (imagen 2.1), se obtuvieron los bornes pertenecientes a cada fase, localizados por pares de bobinas (fase 1 bornes 1-4, 7-10; fase 2 bornes 2-5, 8-11; fase 3 bornes 3-6; 9-12), y al circuito de campo (bornes inferiores 1-2), siendo este ltimo el alimentado con una tensin DC. Para le resistencia del devanado de DC, se obtuvo que la resistencia era aproximadamente 26.2 [].

(a) (b)

(c)

Figura 4.2 Conexiones realizadas para las pruebas: (a) conexin realizada para la prueba de circuito abierto; (b) conexin realizada para la prueba de corto circuito; (c) conexin realizada para la energizacin del circuito DC de campo. Hecho esto, se procedi a aplicar las pruebas de circuito abierto y corto circuito al generador (figura 4.2), obtenindose los resultados de las tablas A.1 y A.2 respectivamente, siendo la tensin de la tabla A.1 la tensin de fase generada empleando los dos devanados de la fase. Mediante estos resultados obtenidos, se procede a obtener los parmetros de tensin de circuito abierto y de corriente de corto circuito, con el fin de caracterizar el circuito interno de la mquina, a travs de la implementacin de los datos que presenten mayor linealidad, partiendo de la grfica caracterstica para cada prueba.

5. Anlisis de resultados

Prueba DC: La realizacin de la prueba DC, aplicada en a la conexin en Y de los dos devanados en serie de la misma fase, permiti obtener que la resistencia de cada bobina es de 0.4653[], aproximadamente, teniendo en cuenta que se para una conexin en estrella, dicha resistencia es:

= 2 = 2 = 0.9421.01 = 0.4653[]

Prueba de circuito abierto:

Tal como se observa en la grfica A.1, la relacin que se describe entre la tensin de circuito abierto y la corriente de campo, en principio, es lineal, ya que la fuerza magnetomotriz se ejerce en el entrehierro hasta que se produce la saturacin en la mquina.

Prueba de cortocircuito: La grfica A.2 muestra la relacin lineal de la corriente de cortocircuito con la corriente de campo es lineal, por lo que se muestra que la mquina en operacin de cortocircuito no se satura, debido a que la cada de tensin en la mquina es leve por causa de la pequea reactancia del inducido, teniendo en cuenta que la reactancia es mucho mayor que la resistencia del inducido. Para determinar estos parmetros del circuito, se tiene en cuenta que para una corriente de campo de 0.8 A, la tensin de circuito abierto es aproximadamente 120 V, y la corriente de corto circuito es 18 A.

= 3 = 120318 = 3.85/

6. Conclusiones

Con los parmetros obtenidos de las pruebas realizadas se pueden realizar simulaciones en herramientas computacionales, con las que se puede determinar o predecir el comportamiento de la maquina ante cambios en sus parmetros elctricos o mecanicos.

Estas pruebas o ensayos nos brindan informacin muy importante acerca de las capacidades que tiene la maquina y la mayor ventaja es que realizarlas no implica grandes costos ni tampoco son pruebas que ocasionen daos a la maquina

Se pudo evidenciar que para corrientes bajas de campo, se pueden obtener valores lineales, antes de llegar a la saturacin.

A partir de este tipo de practicas, se adquiere destreza para conocer las caractersticas de las maquinas, aun cuando no se cuenta con su Placa.

La importancia que tiene el hallar estos parmetros es que nos permite mediante simulaciones y clculos conocer los limites de la capacidad de la maquina y no llevarla a puntos de operacin inapropiados.

Para el ensayo de corto circuito es suficiente con tomar solo dos datos, debido a que se registra una linealidad entre la corriente de campo y la de armadura.

Para el ensayo de circuito abierto, se deben tomar varios datos y adems hay que tener en cuenta que para valores pequeos de la corriente de campo existe una linealidad respecto a la tensin en los bornes, asi que se puede subir la corriente de campo hasta el limite de saturacion

7. Referencias [1] Mquinas elctricas. Chapman, S. J. McGraw Hill, 3ra Ed. 2000. Pg. 272. [2] http://www.tuveras.com/maquinaasincrona/rotorbobinado.gif [3] Mquinas elctricas. Fitzgerald, A. E. McGraw Hill. 1994.

8. Anexos

Corriente de campo () [A]

Tensin de fase de circuito abierto () [V]

0,82 117,08

0,85 120,66

0,9 125,74

0,95 131,75

1 137,52

1,05 141,19

1,10 164,53

1,15 151,84

1,20 155,42

1,25 159,57

1,30 162,92

1,43 168,93

1,54 173,32

1,68 177,59

1,83 181,51

2,00 185,21

Tabla A.1. Valores caractersticos obtenidos para la prueba de circuito abierto del generador sncrono.

Corriente de campo () [A]

Corriente de corto circuito () [A]

0,25 6,4

0,26 6,8

0,29 7,3

0,33 8,2

0,40 10

0,50 12,4

0,65 15,8

0,76 18,5

0,82 19,9

Tabla A.2. Valores caractersticos obtenidos para la prueba de corto circuito del generador sncrono.

Grfica A.1. Curva caracterstica del generador sncrono, para la prueba de circuito abierto.

Grfica A.2. Curva caracterstica del generador sncrono, para la prueba de corto circuito.