El alternador

INACAP RENCA Mquinas ElctricasRegulacin de frecuencia y tensin

Frecuencia es el nmero de veces por segundo que la tensin o la corriente realiza un ciclo completo, la frecuencia de la C.A. generada depende de la velocidad de giro y del nmero de polos del alternador. Cuando el rotor completa un giro y existen dos polos, ha completado 360 geomtricos y la F.E.M. inducida habr desarrollado 360 elctricos, es decir un ciclo. Si la mquina tiene cuatro polos, por cada giro del rotor la F.E.M. inducida completa dos ciclos. La frecuencia entonces se puede determinar mediante la siguiente expresin:

Donde:f = Frecuencia en Hz.Pp = Pares de polos.n = r.p.m.

De la expresin de frecuencia se deduce que el nico parmetro que podemos ajustar para regular la frecuencia es la velocidad de la mquina impulsora.

Para regular la tensin inducida en el alternador se deben considerar tres factores:1. Nmero de espiras de los devanados, que en este caso es un factor constante, ya que es una caracterstica constructiva de la mquina y no se puede variar.2. Velocidad relativa entre campo y conductor, este factor tampoco se puede variar, ya que afecta la regulacin de frecuencia.3. La induccin magntica, la cual es posible variar, actuando sobre la corriente de excitacin. Este factor es el que nos permite regular la tensin con mayor facilidad, aunque a veces resulta necesario regular la corriente de excitacin y velocidad a la vez.

Circuito equivalente del alternador

0 = Flujo inductorr = Flujo resultanteM = Flujo de reaccin de armadura

Donde:Xm = Efecto de la reaccin de armadura Xa = Reactancia inductiva de los devanados Ra = Resistencia Ohmica de los devanados E0 = Tensin inducida interna por fase Ia = Corriente de armadura Vf = Tensin en bornes por fase E = Tensin de salida por fase

Circuito simplificado:

Xs = Xm+Xa (Reactancia sncrona)Zs = Ra+jxs (Impedancia sncrona)Donde:Alternador con CargaAplicando LKV en el circuito equivalente para cada tipo de carga, se obtiene:1) Carga resistiva, cosf=12) Carga inductiva, cosf en atraso3) Carga capacitiva, cosf en adelanto

Los diagramas fasoriales son semejantes a los del transformador y se puede concluir lo siguiente:1. Para carga resistiva e inductiva la tensin en bornes disminuye con respecto al valor en vaco, siendo mayor en el caso inductivo.2. Para carga capacitiva la tensin en bornes es mayor que en vaco.

Caractersticas del alternador

Para determinar los parmetros de una mquina sincrnica se recurre a dos ensayos que se realizan a la mquina: Ensayo en vaco y ensayo en cortocircuito.

Ensayo en vaco: Con este ensayo se obtiene la curva de magnetizacin del alternador, para ello se hace funcionar la mquina a velocidad nominal (a travs de la mquina impulsora) y se va variando la corriente de excitacin, tomando nota de los valores de la tensin inducida en los terminales de la mquina.

Ensayo en cortocircuito: Para obtener esta caracterstica se hace girar la mquina a velocidad nominal con sus terminales cortocircuitados a travs de ampermetros, se aplica una pequea corriente de excitacin la que se va aumentando gradualmente hasta que los ampermetros indiquen que circula la corriente nominal de armadura (Plena Carga).

Aplicando los resultados al circuito equivalente del alternador

En general Xs >> Ra por lo que:

Par y potencia de alternadores

Un generador sincrnico convierte potencia mecnica en potencia elctrica. La fuente de potencia mecnica puede ser un motor diesel, una turbina de vapor, una turbina hidrulica o dispositivos similares.

Donde:wn =velocidad angular nominal en rad/segt=Par o torque en Newton x metron = velocidad nominal en RPMIA= Corriente de armadura por faseNo toda la potencia mecnica que entra al generador sincrnico sale de la mquina como potencia elctrica, la diferencia entre las potencias de entrada y salida del generador corresponde a las prdidas de la mquina: Prdidas en el ncleo, prdidas en el cobre, prdidas por friccin y ventilacin. .

Rendimiento del alternador ()

Regulacin de tensin (%)

La regulacin del alternador para carga resistiva e inductiva es mayor que cero. Para el caso de carga capacitiva la regulacin es menor que cero.

Condiciones para operacin en paralelo de alternadores1. Igualdad de tensin en terminales.2. Igualdad de frecuencia.3. Concordancia en la secuencia de fases.4. Igualdad en la forma de onda.

Ejercicios1.- Un generador sncrono de 6 polos conectados en estrella, de 480V; 60Hz, tiene una Xs = 1 por fase. Su Ia = 60A a plena carga con f.p.= 0.8 en atraso; las prdidas por ventilacin y friccin son de 1.5KW y las prdidas en el ncleo a plena carga son de 1KW, suponer despreciable Ra si la Iexc. se ajusta de manera que la tensin en terminales sea de 480V en vaco. Determine:1.- A que velocidad gira el eje?.

2.- Cul es la tensin en terminales?, si el generador se carga con In y f.p.= 0.8 en atraso. Para cosf=0,8 inductivo E0 = (VF cosf + Ia x Ra)+j(VF senf+ Ia x XS) = (277x0,8+60x0)+j(277x0,6+60x1)=222+j226=317 V/fase

3.- Cual es la eficiencia () cuando funciona con In y f.p.= 0.8 en atraso.

4.- Cul es el par aplicado a plena carga para la Turbina?

5.- Calcular la regulacin de tensin del generador con In, f.p.= 0.8 atrasado.Con In y f. de p. 0,8 atrasado E0 =317 V%Reg=

2.- Un alternador trifsico, conectado en estrella. De 1000 KVA, y 4600V, tiene una resistencia en el inducido de 2 por fase y una reactancia sncrona en el inducido de 20/fase. Encontrar la tensin generada a plena carga por fase a:a. Factor de potencia = 1b. Factor de potencia inductivo de 0,75.Resp.- (Los valores estn aproximados a 3 cifras significativas)

a. Para cosf=1 E0 = (VF + Ia x Ra)+j(Ia x XS) = (2660+250)+j2500= 3845 V/fase

b. Para cosf=0,75 E0 = (VF cosf + Ia x Ra)+j(VF senf+ Ia x XS) = (2660x0,75+250)+j(2660x0,676+2500)=4820 V/fase

3.- Calcular la regulacin de tensin para los factores de potencia del ejercicio anterior.Resp.- a. Para cosf=1 %Reg=

b. Para cosf=0,75 %Reg=

4.- Un alternador trifsico de 100KVA y 1100V, se ensaya en vaco y en cortocircuito para determinar su regulacin bajo distintas condiciones de carga y de factor de potencia. Los datos obtenidos son:a. Ensayo en DC Ra=0,45b. Ensayo en vaco IEXC=12,5 A(DC) y E0=420 V(AC)c. Ensayo en cortocircuito IEXC=12,5 A(AC) y In=valor nominal =Ia A partir de los datos anteriores, y suponiendo que el alternador est conectado en estrella, calcular:a. La impedancia sncrona ZS y la reactancia por fase XS.b. La regulacin de tensin del alternador para factor de potencia de 0,8 capacitivo a plena carga.

Resp.- a. b. Tensin E0 que se debe generar para entregar la tensin de fase nominal a plena carga:Para cosf=0,8 capacitivo E0 = (VF cosf + Ia x Ra)+j(VF senf- Ia x XS) = (635x0,8+52,5x0,45)+j(635x0,6-52,5x7,99)=532-j38,5=533 V/fase

%Reg=

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