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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA LA MAQUINA DE INDUCCIÓN COMO GENERADOR TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERO ELÉCTRICO FREDDY FERNANDO RIVERA RUIZ QUITO, NOVIEMBRE, 1987

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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

LA MAQUINA DE INDUCCIÓN COMO GENERADOR

TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE

INGENIERO ELÉCTRICO

FREDDY FERNANDO RIVERA RUIZ

QUITO, NOVIEMBRE, 1987

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Certifico que el presente trabajo

ha sido realizado por el señor

FREDDY FERNANDO RIVERA RUIZ

IngT Jorge Mora P.

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A G R A D E C I M I E N T O

Dejo constancia de mi más sincero agradecimiento al señor Ing. Jorge Mp_

ra, Director de Tesis, quien con su valiosa ayuda ha permitido culminar

con éxito este proyecto.

También quiero expresar mi agradecimiento al señor Ing. Pablo Rivera,

señora Gladys de Rivera, señores operadores del Centro de Cómputo de la

EPN, y a todos quienes me brindaron desinteresada colaboración.

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Í N D I C E

Pag.

INTRODUCCIÓN

CAPITULO I: LA MAQUINA DE INDUCCIÓN

1.1 Principio de funcionamiento 1

1.2 Modos de operación 3

1.2.1 Funcionamiento de la M.I. como transformador 3

1.2.2" Funcionamiento de la M.I. como motor 4

1.2.3 Funcionamiento de la M.I. como generador 5

1.2.4 Funcionamiento de la M.I. como freno electromagnético 6

1.3 Ecuaciones generales 7

1.4 Circuito equivalente y diagramas fasoriales 11

1.5 El generador de inducción acoplado a una barra ^

ta 17

1.5.1 Balance de potencia activa 17

1.5.2 Potencia mecánica útil 19

1.5.3 Torque electromagnético 23

1.5.4 Flujo de potencia 25

1.5.5 Factor de potencia 32

1.5.6 • Rendimiento 33

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Pag.

1.5.7 Resumen de curvas características 35

1.6 Principales diferencias entre el generador de indu£ 36

ción acoplado a una barra infinita y el generador

sincrónico

1.6.1 Funcionamiento 36

1.6.2 Efectos sobre el sistema principal 38

1.6.3 Mantenimientos y costos relativos 38

1.7 Ventajas y desventajas del generador de inducción 39

acoplado a una barra infinita

CAPITULO II: LA MAQUINA DE INDUCCIÓN COMO GENERADOR DE IN.

DUCCION AUTOEXCITADO

2.1 Fundamentos del generador de inducción autoexcitado 41

2.2 Diagrama esquemático y circuito equivalente 42

2.3 Producción de la autoexcitación 44

2.4 Características en vacío 45

2.4.1 Determinación del voltaje terminal 45

2.4.2 Determinación de la frecuencia de operación 46

2.4.3 Capacitor de excitación mínimo 47

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2.5 Características en carga "

2.5.1 Características de voltaje terminal 8512.5.2 Características de deslizamiento522.5.3 Características de frecuencia de operación

2.6 Efectos sobre el funcionamiento de la máquina al variar "

la velocidad, capacitor de excitación y carga

2.7 Rendimiento 60

CAPITULO III: MODELACIÓN DEL GENERADOR DE INDUCCIÓN A'.'TOEXCI-

TADO EN ESTADO ESTABLE

3.1 Consideraciones para la modelación

C/)

3.2 Circuitos equivalentesrn

3.2.1 Circuitos equivalente de estado estable643.2.2 Componentes simétricas instantáneas

3.2.2.1 Circuito equivalente operacional de secuencia positiva

703.3 Análisis matemático

3.3.1 Ecuaciones características para los diferentes tipos

de carga

3.4 Método de solución

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Pag.

3.5 Cálculo de la reactancia de magnetización y de la

frecuencia de operación de estado estable 78

3.6 Cálculo de voltajes, corrientes, potencias, rendj^

miento y deslizamiento 80

3.6.1 Cálculo del voltaje de entrehierro 80

3.6.1.1 Relación entre la reactancia de magnetización y

el voltaje de .entrehierro 81

3.6.2 Cálculo de variables 84

3.7 Aplicaciones de la modelación del generador de in-

ducción autoexcitado 86

3.7.1 Curvas características 86

3.7.2 Pérdida de excitación y no autoexcitación 86

3.8 Simulación digital y diagramas de flujo 87

3.8.1 Programa principal 87

3.8.2 Subrutina MAGFRE ' . 90

3.8.3 Subrutina COERAI 91

3.8.4 Subrutinas COEFRL, COEFRC y COEFVA 91

3.8.5 Subrutina RAÍZ 92

3.8.6 Subrutina ESCAL 92

3.8.7 Subrutina FUNC 92

3.8.8 Subrutina RAIPRI 93

3.8.9 Subrutina PUNTGR 93

3.8.10 Subrutina POTVOL 93

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Pac

3.8.11 Subrutina GRAFIO 94

3.8.12 Subrutina GRALIM 94

3.8.13 Diagramas de flujo 95

CAPITULO IV: PARTE EXPERIMENTAL Y COMPARACIÓN DE RESULTADOS

4.1 Pruebas y resultados del generador de inducción aut£

excitado 108

4.1.1 Pruebas de laboratorio 108

4.1.2 Pruebas para la determinación de parámetros de las irá

quinas de inducción 109

4.1.3 Pruebas para la determinación de la relación entre

la reactancia de magnetización y el voltaje de entre-

hi erro 112

4.1.4 Procedimiento 117

4.1.5 Características de variación de la velocidad y del ca^

pacitor de excitación en vacío 118

4.1.6 Características en carga y efecto de la velocidad y

del capacitor de excitación 135

4.1.7 Análisis del voltaje terminal y frecuencia de operación

4.1.8 Comparación de resultados

4.1.9 Análisis del rendimiento y deslizamiento

4.2 Pruebas y resultados en el generador acoplado a una ba^

rra infinita

4.2.1 Pruebas de laboratorio 188

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Pac

4.2.2 Procedimiento 189

4.2.3 Resultados medidos 190

4.2.4 Análisis del comportamiento de la máquina de indu£

ción en base a resultados medidos 195

CONCLUSIONES 197

RECOMENDACIONES 2°1

APÉNDICE A: INTERPRETACIÓN DE LAS RAICES DE LA ECUACIÓN

CARACTERÍSTICA Y SU UBICACIÓN EN EL PLANO COM

PLEJO

APÉNDICE B: MÉTODO DEL DESCENSO MAS PRONUNCIADO PARA LA OIJ

TENCIÓN DE RAICES DE UNA ECUACIÓN POLINOMIAL

APÉNDICE C: EQUIPO UTILIZADO

APÉNDICE D: MANUAL DE USO DEL PROGRAMA DIGITAL

B I B L I O G R A F Í A

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I N T R O D U C C I Ó N

En el estudio de las máquinas de inducción, especial atención se pone

al funcionamiento de éstas como motor, función que es la mayormente co_

nocida y de aplicación, pero otra forma de operación es la de generador

que ha recobrado interés por la búsqueda de otras formas aplicables de

conversión de energía electromagnética.

El generador de inducción puede funcionar de dos maneras:

La primera forma, y que es parte del estudio básico de 1\a de in^

ducción, es el generador de inducción acoplado a una barra infinita.

Aquí la máquina es manejada por sobre la velocidad sincrónica, por lo

que entrega potencia activa a la red y absorbe potencia reactiva de la

mi sma.

La segunda forma es el generador de inducción autoexcitado por medio de

capacitores, operando en forma aislada. La máquina en esta condición

genera un voltaje a cierta frecuencia que dependen de la velocidad del

rotor, capacitor de excitación y carga. Esta forma de funcionamiento

de la máquina de inducción constituye el objetivo principal del presejí

te trabajo.

La operación en estado estable del generador de inducción autoexcitado,

puede ser simulada por medio de un programa digital a partir de su cijr

cuito equivalente operacional de secuencia positiva y asunciones ade-

cuadas.

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El estudio abarca también pruebas de laboratorio en una máquina de ir^

ducción trifásica como generador autoexcitado. Se obtienen caracterís-

ticas en vacío, en carga y la influencia de la velocidad, capacitor de

excitación y tipo de carga; estos resultados son comparados con los ojb

tenidos por medio de la simulación digital para la respectiva comproba-

ción de la efectividad de los cálculos.

También se realizan pruebas del generador acoplado a una barra infinita

para comprobar la teoría básica de la máquina de inducción.

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C A P I T U L O I

LA MAQUINA DE INDUCCIÓN

La máquina de inducción es una máquina rotativa convertí'dora de ene£

gía. Está compuesta básicamente de un devanado estatórico y un devana^

do rotórico, separados ambos por un entrehierro.

La alimentación de corriente alterna se la hace a los devanados del es

tator y las corrientes en los devanados del rotor son inducidas a tra_

vés del campo magnético creado por las corrientes del estator, por esta

razón a esta máquina se la puede considerar como un transformador rota^

tivo con la potencia transmitiéndose entre estator y rotor.

Al estudiar a la máquina de inducción lo haremos considerando una máquj_

na polifásica simétrica, con alimentación balanceada y sin considerar

los efectos de la saturación magnética, temperatura y frecuencia.

1.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Cuando el devanado estatórico de una máquina de inducción se conecta a

un sistema polifásico, las corrientes estatóricas en régimen permanente

originan en el entrehierro uniforme un campo magnético dirigido radial_

mente, sinusoidalmente distribuido y girando a la velocidad sincrónica

n dada por:

n,. - 2.1Lf [rad.elec./seg.] (1.1)

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= . [rad.mec./seg.] (1.2)S P/2

ns = i [RPM] (1.3)

donde:

f = frecuencia del sistema [Hz]

p = número de polos

La máquina de inducción basa su funcionamiento en la interacción electro

magnética entre el campo magnético giratorio y los voltajes y corrientes

inducidas en el rotor, cuando dicho campo cruza sus conductores. De esta

forma, las corrientes del estator y del rotor crean en el entrehierro

una onda de f.m.m.resultante y un flujo principal o mutuo $m giratorio a

velocidad sincrónica que concatena con los dos devanados de la máquina.

La interacción electromagnética entre estator y rotor es posible sólo

cuando la velocidad del campo magnético giratorio n y la velocidad del

rotor n son distintas. Si ambas velocidades fueran iguales, el campo

sería inmóvil con respecto al rotor y no habría ningún efecto de indu£

ción en el devanado rotórico.

La velocidad con la que el campo magnético corta a los conductores del

rotor es igual a la diferencia entre la velocidad sincrónica y la velocj^

dad del rotor, diferencia que relacionada a la velocidad sincrónica se

conoce como deslizamiento s:

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n,- - ns = -§ ü - (1.4)

1.2 MODOS DE OPERACIÓN

La máquina de inducción puede funcionar como: transformador, motor, gj?

nerador o freno electromagnético.

1.2.1 FyNCI9NAMIENTO_DE_LA_MAQyiNA^ [1]

Al conectar el estator a un sistema polifásico de corriente y con el r£

tor en reposo (n = O ó s = 1) abierto o cortocircuitado, la máquina de

inducción representará un transformador. El campo magnético del estator

gira a una velocidad n e induce en el devanado del rotor una

f.e.m. E" que tiene la misma frecuencia f del sistema y la dirección djí

terminada por la regla de la mano derecha (Fig. 1.1.a).

La principal diferencia entre el transformador común y la máquina de iji

ducción está en el campo magnético principal provocado por las f.m.ms.

resultantes de los amperio-vuelta de los devanados. Mientras que el carn

po magnético en el transformador es de carácter senoidal alternativo y

con posición fija, en la máquina de inducción el campo magnético es de

distribución senoidal a lo largo deT entrehierro y giratorio.

Debido a aspectos constructivos, la máquina de inducción y el tran£

formador tienen parámetros característicos cuyos valores en por unidad

son muy diferentes. Así tenemos en la máquina de inducción la mayor cp_

rriente de magnetización por su apreciable entrehi erro y sus mayores rea£

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táñelas de dispersión debido a la distribución de sus devanados.

1.2.2 FUNCIONAMIENTOJE_LA_MAgyiNA_DE_INDyCCION_CgMO_MOTgR [2]

Partiendo de las condiciones anteriores y con el circuito rotórico corto-

circuitado, por el devanado del rotor circulará una corriente T cuya

componente activa tiene igual sentido que la f.e.m. 1T . El efecto de

la interacción del flujo creado por esta corriente (línea de trazos en

la Fig. 1.1.a) con el flujo del estator, formará un flujo resultante re_

presentado en la Fig. 1.1.b. En estas condiciones, la fuerza T sobre

el conductor a crea en el eje de la máquina un torque que tiende a gj

rar el rotor en el sentido de giro del flujo. El conjunto de torques

creados en los conductores, forma uno resultante de rotación que al ve£

cer el par de frenado del eje pondrá en giro al rotor hasta una veloci^

dad n . En este caso la conversión de energía es de eléctrica aplicada

al estator a energía mecánica en el eje, comportándose la máquina como

motor.

La velocidad del motor depende de su carga; en vacío la velocidad rotó-

rica se aproxima a la sincrónica sin que puedan llegar a ser iguales.

Por lo tanto, la máquina de inducción funciona como motor cuando la ve^

locidad del rotor está entre:

o, en función del deslizamiento:

O < s < 1

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1.2.3 FUNCIONAMIENTg_DE_LA_MAQyiNA_DE_INDyCCigN_CgMg_GENERADgR [2]

Si por cualquier medio motriz externo se lleva al rotor cortocircuitado

de la máquina de inducción, cuyo estator está conectado a un sistema p£

lifásico, a una velocidad rotórica superior a la sincrónica, el desliza_

miento se hace negativo y el sentido de la rotación del flujo con res-

pecto al rotor cambia con relación al sentido que tiene la máquina cuan^

do funciona como motor. Con esto se cambian el sentido de la f.e.ni. y

de la corriente en el conductor a_, y también el signo del torque en el

eje (Fi'9- 1.1.c). Por lo tanto, el torque desarrollado por la máquina

de inducción se convierte nn frenado con respecto al torque del medio

motriz externo. En estas condiciones la máquina de inducción funciona

como generador, convirtiendo la energía mecánica aplicada al eje en ei

nergía eléctrica entregada al sistema.

Teóricamente el rotor del generador de inducción puede girar a cuaj_

quier velocidad superior a la de sincronismo, o sea:

encontrándose el deslizamiento entre:

O < s < -

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a) b) MOTOR n, >nr C)GENERADOR

FIG. 1.1 Principios de funcionamiento de la máquina de inducción.

El generador de inducción puede funcionar independientemente de un

tema exterior. Para esto necesita de la conexión de adecuados capacito

res a los terminales del estator y poner el rotor de la máquina en rota^

ción a una velocidad también adecuada. Esta forma de operación, llamada

generador de inducción autoexcitado, precisa de la existencia de un f1j¿

jo remanente en el hierro del rotor para iniciar un proceso similar al

generador de corriente continua autoexcitado, terminando en un estado

estable de generación [2j;

1.2.4 FyNCIQN^IENTg_pE_LA_^gyiNA_DE_INDyCCIQN_CgMg_FRENO_ELECTROMA6-

NETICO [2]

En los dos últimos modos de operación tratados, el rotor gira en el mis^

mo sentido que el campo giratorio. Si por un medio motriz externo el

rotor gira en sentido contrario al del campo magnético, la máquina recj_

be energía desde el sistema (eléctrica) y desde el medio motriz externo

(mecánica). Este funcionamiento se llama freno electromagnético, com_

prendiendo teóricamente la velocidad del rotor entre:

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O > nr >

y su deslizamiento entre:

1 < s < <»

1.3 ECUACIONES GENERALES

1.3.1 ygLTAJES_Y_CgRRIENTES_EN_EL_ESTATgR_Y_EL_ROTgR

Al estar conectado el estator de la máquina de inducción a un sistema

polifásico de voltaje terminal V7 por fase y frecuencia f, el flujo priji

cipa! giratorio $m induce f.e.ms. en los devanados del estator y rotor.

A rotor bloqueado las f.e.ms. están dadas por las ecuaciones generales

[1]:

Es = 4,44.f. Ns.Kdev $ [V] (1.5)

Er = 4,44.f. Nr.Kde $ [V] (1.6)

donde:

E , E = valor eficaz de los voltajes inducidos por fase en los

nados del estator y rotor.

N > N = número de espirar por fase en el estator y rotoro I

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Kdev » Kdevr = factores de bobinado del estator y rotor

* . = flujo principal por polo[Mx]

Más generalizadamente, el rotor de la máquina de inducción puede girar

a cualquier velocidad n ,y lo hace en un campo magnético que a su vez

gira a velocidad n , Esto es equivalente a considerar como si el flujo

pricipal $m girase a velocidad n respecto del rotor inmóvil, donde:

n = ns - nr U-7)

por lo que la frecuencia en el devanado rotórico f es [,?]

r 2 60(1.8)

Reemplazando las ecuaciones (1.3), (1.4), (1.7) en (1.8):

fr = s . f (1.9)

La f.e.m. en los devanados del rotor, incluyendo su rotación, queda de

la siguiente forma:

- 4,44 . s . f . Nr . K . « (1.10)

Ers = S . Er (1.11)

Es decir que la f.e.m. inducida en rotación Erg es igual a s veces la

f.e.m. inducida con el rotor inmóvil E .

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De acuerdo al funcionamiento de la máquina de inducción, s puede variar

idealmente entre +°° y -°°, determinando la variación de la fase de la

f.e.tn. inducida.

Las corriente I e T~ que circulan por el estator y rotor producen

flujos de dispersión que inducen f.e.ms. dadas en forna fasorial por [2]:

Els = j ¡s • xls (1'12)

Elr " J' lr ' xlrs

donde:

E, , E-jr = f.e.ms. de dispersión por fase del estator y rotor

77, T7 = corrientes por fase del estator y rotor

x-, , x-, = reactancias de dispersión por fase del estator y rotor

A su vez:

xls = 2 . fl . f . Ls (1.14)

Xlrs = 2 . 1í . fr . Lr = 2 . 1f . s . f . Lr (1.15)

xlrs = s . xlr (1.16)

donde:

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- 10 -

L > L = inductancias dedispersión por fase del estator y rotor,

x, = reactancia de dispersión por fase del rotor inmóvil.

La reactancia de dispersión del rotor en movimiento x, es igual a la

que se tiene en reposo multiplicada también por el deslizamiento s.

Tomando en cuenta la influencia como caídas de tensión de la resisten^

cia óhmica y el flujo de dispersión de cada devanado, las ecuaciones de

equilibrio de voltajes escritas en forma fasori al -compleja para cada de_

vanado por fase son:

^ = ^s + V(rs + jxls) (1.17)

- V(rr + j xlrs>

donde:

r , r = resistencia por fase del estator y rotor

La ecuación (1.18), en función de parámetros a rotor inmóvil queda:

o = Er - Ir.( -£+ j x]r ) (1.19)

ecuación que indica que la corriente en el rotor I en movimiento es

la misma que tendría si el rotor estuviera inmóvil y con una resisten-

cia rotórica igual a r /s.

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- 11 -

1.4 CIRCUITO EQUIVALENTE Y DIAGRAMAS FASORIALES

1.4.1 CIRCyiTOJQUiyALENTE

Al tomar a la máquina de inducción de rotor móvil como de rotor fijo,

ésta puede ser visualizada para su estudio como un transformador con eji

trehierro y una resistencia variable en el secundario.

Al igual que en el transformador, la determinación del circuito equiva

lente de la máquina de inducción por fase consiste en sustituir ideal-

mente el circuito rotórico por otro,cuyo número de fases, espiras por

fase y factor de devanado sean iguales a los del circuito del estator;

distinguiremos mediante tildes los parámetros del rotor reducidas al

estator. Designando por K y K. los factores de reducción de las ten-

siones y de las corrientes respectivamente, en lo referente a tensiones

se tiene[l]:

!i - E r - _ .4,44.f.Ns.KdeVs.*

Er Er 4.44.f.Nr.KdeV*

Ef- = Ke . Er = Es (1.21)

Expresando que la f.m.m. del rotor reducido E ' se conserva igual a la

del original E para así determinar la misma f.m.m. resultante, se tie-

ne [1]:

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- 12 -

r0,45.qr.Kd - = 0,45.qs . K - - - (1.22)

r p s p

Ir q, • Kdev,-K. = - = - -

qr - Kdeyr.

1I ' = — Ir (1-24)

KKi

donde:

qs, qr = número de fases del estator y rotor

La reducción de la resistencia y reactancia de dispersión del rotor se

obtienen observando que son cocientes de caídas de tensión para corriejí

tes, por lo tanto [1]:

V = Ke . K. . rr (1.25)

xlr, - Ke . KÍ . xlr (1.26)

Aplicando las ecuaciones de reducción a la ecuación (1.19) de equili-

brio de voltajes del circuito rotórico, el cual es primero reducido al

reposo y luego al estator, se tiene:

r 'O = - . ( --+ j x ' ) (1.27)

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- 13 -

r 'V = V ' ( -1T+ j xlr'

Para tomar en cuenta por separado a las pérdidas óhmicas en el circuito

rotórico se puede hacer el siguiente reemplazo:

r 'r r s

por lo que:

Er' = V'^r' + rr' " Í - - + J xir'

El circuito equivalente se completa al considerar al flujo principal $

en el entrehierro como una reactancia x llamada de magnetización y su

voltaje V llamado de entrehierro (V7 = 17 = ')- En este punto y

por simplificación de análisis no se toman en cuenta a las pérdidas en

el hierro del estator al no introducirse mayor error [3]. Así, la co

rriente de estator TT se descompone en dos componentes: la corriente

de rotor reducida I ' (o de "carga) y la de magnetización TI.

Combinando estos últimos aspectos, los correspondientes a los de redu£

ción del circuito rotórico y los de las ecuaciones (1.19) y (1.30),

permiten representar a la máquina de inducción por fase con el circuito

de la Fig. 1.2:

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- 14 -

Í*ls

" 11 <

J*m i <i <

J i m L.

Tír

FIG. 1.2 Circuito equivalente de la máquina de inducción por fase.

La cantidad (I'2.r') representa la potencia absorbida en el circuito

del rotor, la cantidad [I'2.r'.(l-s)/s] representa la potencia mecánica

de salida y la suma de estas dos (I'2.r'/s) es la potencia transferida

a través del entrehierro desde el estator al rotor. En un motor de ir^

ducción todas estas cantidades son positivas.

Cuando una máquina de inducción opera como un generador, el deslizamier^

to s viene a ser negativo, la cantidad [I'2.r' ,(l-s)/s] es también ah(3

ra negativa y la potencia mecánica de salida viene a ser potencia mecj[

nica de entrada. La componente de pérdidas en el rotor permanece posj_

ti va ya que su expresión no toma en cuenta el deslizamiento. La cantj_

dad que representa la potencia a través del entrehierro es negativa,por

lo tanto la dirección de transferencia de potencia es ahora desde el r£

tor al estator o desde el eje a los circuitos del rotor y estator [4].

1.4.2 DIAGRAMAS_FASQRIALES_DE_LA_MAQyiNA_DE_INDUCCIÓN

Los diagramas fasoriales de la máquina de inducción son trazados de ja

cuerdo al circuito equivalente de la Fig. 1.2, y será tomado el voltaje

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- 15 -

terminal V. como referencia.

1.4.2.1 Diagrama Fasorial del Motor de Inducción

El diagrama fasorial de la máquina de inducción como motor se muestra

en la Fig. 1.3 [5].

El voltaje terminal V. en el estator es igual a la suma del voltaje de\f

entrehierro V y las caídas de tensión en la resistencia y reactanciaj

de dispersión del estator. A su vez V es igual a la suma de caídas

de tensión en la resistencia y reactancia de dispersión reducidas del

rotor.

La corriente del estator I está compuesta por la corriente de

tización I y por la corriente del rotor reducida I'.

En este régimen la máquina de inducción recibe potencia activa y

cia reactiva del sistema, lo que corresponde a ángulos de retraso 6 me:

ñor a 90° de T respecto a V. y 9 menor a 90° de P" respecto a V. -

FIG. 1.3 Diagrama Fasorial del Motor de Inducción

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- 16 -

1.4.3.2 Diagrama Fasorlal del Generador de Inducción

Debido al cambio de dirección de rotación del flujo principal con res-

pecto al rotor, el signo del deslizamiento s se hace negativo. Este he_

cho se refleja en la corriente del rotor reducida ÍT> cuyo signo de su

componente reactiva se conserva mientras su correspondiente componente

activa cambia con relación al régimen del motor. El ángulo 0 entre V~

e T 1 es mayor a 90°.

La corriente de estator I , como resultado de sus componentes I e l ' ,

también tiene un ángulo 6 mayor a 90° respecto al voltaje terminal V7,** X

es decir que la potencia activa de la máquina es negativa o fluye del

rotor al estator.

La Fig. 1.4 muestra el diagrama fasorial para este régimen [6],

FIG. 1.4 Diagrama Fasorial del Generador de Inducción

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- 17 -

1.5 EL GENERADOR DE INDUCCIÓN ACOPLADO A UNA BARRA INFINITA

La máquina de inducción puede funcionar ya sea acoplado a una barra iji

finita o en forma aislada en paralelo con capacitores. En ambos casos

la máquina demanda potencia reactiva para mantener sus flujos.

El generador de inducción aislado o autoexcitado será estudiado con más

detalle en el siguiente capítulo.

La máquina de inducción operando como un generador de inducción acopla-

do a una barra infinita es manejada por una máquina motriz por sobre

la velocidad sincrónica, el deslizamiento es negativo y la resistencia

equivalente r'/s del circuito del rotor es negativa, lo que significa

que el rotor suministra potencia al estator.

El generador de inducción no tiene la posibilidad de controlar ni su

voltaje terminal, ni su frecuencia, tampoco puede generar potencia rea£

ti va, de hecho requiere potencia reactiva para su excitación, dado que

a diferencia del generador sincrónico no tiene ningún medio para est<a

blecer un campo en el entrehierro con el circuito estatórico abierto.

Por esta razón aparece la denominación de generador acoplado a una ba^

rra infinita, al ser la barra la que determina el voltaje terminal, la

frecuencia y proporciona la potencia reactiva.

1.5.1 BALANCE_DE_POTENCIA_ACTiyA

El generador de inducción transforma la energía mecánica aplicada a su

eje, en energía eléctrica que se entrega a la red; la transmisión de ja

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- 18 -

nergía es de rotor a estator por medio del campo magnético del entrehie^

rro y se relaciona con fuerzas electromagnéticas que se desarrollan en

el rotor.

El proceso de transformación de la energía es la siguiente: la máquina

recibe potencia mecánica Pm a su eje, a ésta se descuentan las pérdidas

mecánicas y de ventilación P y las pérdidas adicionales en el hierro

del rotor P (debidas a influencia de armónicos de orden superior y

plazamiento de su corriente), para obtener la potencia mecánica útil

P ,, parte de ésta se consume en el cobre del circuito rotórico P ,GM u CU i

quedando la potencia electromagnética P que se transmite por el entre_

hierro. Restando de esta última las pérdidas en el cobre del circuito

estatórico P y las pérdidas en el hierro del estator Pf (debido a

corriente de Foucault y fenómeno de histéresis) obtenemos la potencia

de salida o entregada a la red P -i[2].

Aceptando un flujo de potencia activa positiva del rotor al estator se

tienen las siguientes relaciones:

Pent = Pm - Pv - Pa

Pem = Pent-pcur

Psal = Pem - Pcus - Pfe

El balance de potencia del generador de inducción es representado en la

Fig. 1.5.

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- 19 -

EJE

m Pent

"cur

em

cus

PSQ!

RED

FIG. 1.5 Balance de Potencia Activa del Generador de Inducción.

1.5.2 POTENCIA_MECANICA_UTIL

Por medio del circuito equivalente de la Fig. 1.2 y el diagrama faso-

rial de la Fig. 1.4 es posible deducir las características de estado e¿

table del generador de inducción. Así, la potencia de pérdidas en el

cobre del rotor es:

cur I ' 2 r1r * rr (1.34)

Descontando de la potencia mecánica las pérdidas por fricción, ventila^

ción y adicionales, la potencia mecánica útil aplicada al eje del gene_

rador es:

entn T'2 r1 *~Sqs * V ' rr s (1.35)

La potencia que atraviesa el entrehierro o potencia electromagnética

Pem es :

p =p + pem ent cur

r1l'2 —' r s (1.36)

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- 20 -

Tanto la potencia mecánica útil como la potencia electromagnética son

negativas debido al deslizamiento, correspondiendo al flujo de potencia

desde el eje a la red.

Tomando como fuente de potencia a la potencia mecánica útil y usando el

signo negativo del deslizamiento, se obtienen las siguientes relaciones:

cur

Pent

qs.i;2.r ' r

1+ s|n T " 2 „!VV 'rr _ s

1+ |s|(1.37)

_eni_

ent1+ |s|

(1.38)

donde:

|s| = módulo de s

Se puede concluir de la potencia mecánica útil y suministrada al rotor

que el factor (|s |/(1+| s| )).P . absorben las pérdidas en el cobre, y el

factor(l/(l+|s|)).Peptsetransfiere al estator. Al operar el generador

de inducción con altos deslizamientos, las pérdidas en el rotor aumen-

tan y el rendimiento de la máquina disminuye.

Para obtener una expresión de la potencia mecánica útil es conveniente

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- 21 -

aplicar el teorema de Thevenin a los terminales a-b del circuito

lente de la Fig. 1.2, quedando de la siguiente forma [7]:

FIG. 1.6 Circuito equivalente de la Máquina de Inducción por fase,

simplificado por el teorema de Thevenin.

donde:

r + j x1;(1.39)

m

rs + J'(xls

rs • xra

= R¿+ J X¿ (1.40)

(1.41)

V' =

xt (1.42)

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- 22 -

Si vJ es tomado como referencia:

';'•V.'2U

(1.43)

Reemplazando la ecuación (1.43) en la ecuación (1.35) finalmente se ob-

tiene:

w,2 . / lvt • rr ' s

ent (1.44)

En la Fig. 1.7 se representa a la potencia mecánica útil en función del

deslizamiento. La potencia aumenta según como se aumente la velocidad,

hasta un valor de deslizamiento que cumple la relación:

d Pent = Od s

(1.45)

entonces:

ent máxima(1.46)

El signo "menos" corresponde al régimen del funcionamiento de la máquj_

na de inducción como generador y el signo "más" como motor de inducción.

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- 23 -

Reemplazando la ecuación (1.46) en la ecuación (1.44), para generador:

Pent máxima

1.5.3 TORQUEELECTROMAGNETIC

El torque electromecánico surge como resultado de la interacción del

flujo magnético giratorio principal $ y la corriente en el rotor, to_r

que correspondiente a la potencia electromecánica interna igual a:

T = q (1.48)

donde:

T = torque electromagnético [Nw - m]

n = velocidad angular sincrónica [rad.mecán./seg.]

En la ecuación (1.48), el torque electromagnético es negativo y tiene

un sentido contrario al sentido de rotación del rotor, consiguientemen^

te su efecto es de frenado que caracteriza al funcionamiento de las má_

quinas como generador [2].

Reemplazando la ecuación (1.36) en la ecuación (1.48):

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rry 12 r

sns (Rt' + -f )2 + (Xt-

En la Fig. 1.7 se representa al torque electromagnético en función del

deslizamiento, con un valor máximo a un deslizamiento que cumple con la

relación:

Q í am

= O (1.50)d s

entonces:

VS = + L_- .máximo R^ + , + x ,)2

Igual que en el anterior apartado el signo "menos" corresponde para el

régimen de generador y el signo "más" para el régimen de motor.

Reemplazando la ecuación (1.51) en la ecuación (1.49), para generador:

V ,vt12Te%áximo = ñ~

5

/-[- /Rt2 + (Xt + x]r')2 + Rt'J

En la Fig. 1.7, cuando la potencia de la máquina motriz aumenta (de£

lizamiento más negativo) más torque es aceptado por el generador y más

potencia fluye hacia el sistema. Cuando el torque de la máquina motriz

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excede el nivel de máximo torque, el generador ya no acepta esta carga,

incrementándose la velocidad de la máquina motriz y la corriente de e

tator [12].

CORRIENTE DE ESTATOR tCp.u.J3.0 CORRIENTE DE ESTATOR

GENERADOR —

FIG. 1.7 Características representativas de la Máquina de Inducción de:

em > p ent e '

1.5.4 FLUJO DE POTENCIA

Cuando el deslizamiento y parámetros de la máquina de inducción son c£

nocidos, el circuito equivalente de la Fig. 1.2 puede ser reducido a j¿

na simple impedancia T~ dada por [6]:

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- 26 -

Rs + JXS = rs + jxls + — - (1.53)

La corriente del estator es:

17 = -1 (1.54)

la cual tiene la cualidad significativa de representar la corriente de

salida del generador de inducción y atrasa al voltaje terminal V. en

un ángulo de factor de potencia de la máquina 6 mayor a 90° (Fig. 1.4).

La componente reactiva de esta corriente ( Is-sen 9 ) es representati^

va de la potencia reactiva que debe ser suplida por el sistema.

La ecuación (1.53) muestra que cada valor de deslizamiento s determina

otros de Z~, T~ y consecuentemente de las potencias activa y reactivao o

de salida (en los terminales del estator) dadas por:

Psal + J Qsal " <s ' Vt

donde:

P -, = potencia activa de salida

Q , = potencia reactiva de salida

TT* = conjugada de T7

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- 27 -

Reemplazando la ecuación (1.54) en la ecuación (1.55) se tiene:

P -^Wt ( ) (1.56)sal

donde:

V¿* = conjugada de ITjT

1^ * = RS - j Xs = conjugada de Zj

Si V. es tomado como referencia:

PsalV

Rs " J xs

Si se define la siguiente expresión:

x,' xmx- = x + _JI 01 (i.58)

X ' + Xxlr xm

la ecuación (1.53) se reescribe así:

XU + Xm + X(R - r) + j(X - - -

r1

' ' -s s s

C-f '(x )]

(1.59)

Tomando la magnitud de ambos lados de la ecuación (1.59) y combinando

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términos:

(Rs '

De la ecuación (1.57):

V 2 Pvt ' psal

Rs = qs - (1.61)P 2 + Q 2sal v

X = q t ' Sa1 (1.62)S P ,2 + Qsal ^

Reemplazando las ecuaciones (1.61) y (1.62) en la ecuación (1.60):

V 2 P V 2, t • ..1 ,, + ( Vt " .

2 2 S S 2

(1.63)

Simplificando y operando con la ecuación (1.63):

(P _q s ' t l s m )2 2 l s

531 S rs+(Vxls)'x' Sal S 2.[r¡+xm+xls).x'] S 4.[r (xm+xl

(1.64)

Así, las potencias activa y reactiva en los terminales del estator de

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la máquina de inducción determinan una circunferencia dada por la

ción (1.65) con centro en [6]:

r. . V,2p = q t<- b r 2 + ÍX H- X \i

rs um xls' ' x

(x1 + x]s + xm) . V 2

,> 2 . /Y . y

s Um + xls

m

-(xm + xlc) . x']

m

Qc = qs - j - - - — (1-66)

y radio:

V • < x l s + x m - x ' >r = qs (1.67)

2'I>s2 +(xm + X ls^ ' x'l

De la ecuación (1.64), a la máquina de inducción funcionando como gen_e

rador le corresponde los valores negativos de P -, y positivos de Q ,.

En la Fig- 1.8 se representa la relación de potencia de salida del

generador de inducción; tanto la potencia activa como la potencia reac_

ti va están definidas, siendo imposible modificar sólo la potencia

va sin hacerlo también la potencia reactiva.

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-4 -3

- 30 -

^

^

-2

PSQ|

o

•pcÜ

FIG. 1.8 Característica representativa de Qsa-| = f(Psa-j)

generador de inducción a voltaje terminal

y frecuencia nominales.

La curva tiene un máximo de potencia activa de sal ida, lo cual concuerda

con la característica de la potencia mecánica útil en función del deslj_

zamiento.

El valor máximo de la potencia activa de salida del generador es:

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- 31 -

Psal máxima = Pc - r ^'^

Reemplazando las ecuaciones (1.65) y (1.67) en (1.68):

sal máxima ~ s ^ ' '2 fr 2 + (x + x ) x'1t. • L I ' ^ n\* * J

valor que es negativo. Esta potencia máxima, si bien en teoría el gene^

rador de inducción podría alcanzar, el elevado valor de la corriente es

tatórica daría lugar a un calentamiento superior a límites térmicos ad_

misibles.

La propiedad más relevante de la potencia reactiva de salida Q , del

generador de inducción es su naturaleza variable (Fig. 1.8). Con-

siderando al circuito equivalente de la Fig. 1.2, la potencia reactiva

mínima está mayormente relacionada con la reactancia de magnetización

x y su corriente de vacía (s =0), o sea [9]:

mínima * <*s ' ls vacío ' Vt

La importancia de la característica de potencia reactiva de salida radj_

ca en el hecho de que se trata de una potencia que se le debe suminis-

trar al generador para su magnetización, y más aún si se decide compen^

sar estos reactivos fija o variablemente.

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- 32 -

1.5.5 FACTOR DE POTENCIA

El factor de potencia FP del generador de inducción es;

FP = sal

5 n 2 + Q nsal Msal

(1.71)

En el generador de inducción, la potencia reactiva de salida Q -, estása ien retraso respecto al voltaje terminal "VT y la potencia activa de salj_

da Pi es negativa, obteniéndose un ángulo de factor de potencia 9

de la máquina mayor a 90° (Fig. 1.4). La potencia así liberada es simj[

lar a la de un generador sincrónico subexcitado [10].

La característica del factor de potencia raoresentada en la Fig. 1.9,

tiene un máximo cuando la carga (P ,) es próxima a la nominal y dismi-

nuye según como la carga y la magnitud del deslizamiento también dismi_

nuyen. Esta respuesta es.debido a que el voltaje en la reactancia de

magnetización, y por lo tanto su corriente,varían levemente- De este m<3

do el generador de inducción demanda de una corriente reactiva susta£

cialmente constante a la que se suma las corrientes reactivas por las

reactancias de dispersión [6].

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- 33 -

n

I -y4

-1.2

-l.l

-1.0

•0.9

0.8

0.7

0.6

UJo -0.4

-0.3

-0.2

-0.1

O

100

90n£so<% 70Ul

| 60u

:*>oo 40<xu.

30

20

10

FACTOR DEPOTENCIA y

/

/J

/

/

/

/

DESLIZAMIENTO /

S

/

/

/

rf/

//^

^

^- — '

J

/

~. — -

/

/

—. '••

25 50 75 100 125

FIG. 1.9 Característica FP = f(psa]) del. generador de inducción

(Máquinas de baja velocidad [6]).

1.5.6 RENDIMIENTO

Para el generador de inducción, el rendimiento R es igual a:

R = sal

m(1.72)

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- 34 -

Esta característica presenta la misma forma que la mayoría de máquinas

eléctricas (Fig. 1.10); el rendimiento del generador de inducción aume£

ta rápidamente desde cero, sin carga, a valores relativamente altos a

plena carga. Aunque el rendimiento es bajo para las cargas bajas, la

potencia de pérdidas son un pequeño porcentaje de la potencia nominal

de la máquina . La potencia de pérdidas a plena carga es del 3 al

6% de la potencia nominal de la máquina, mientras que sin carga es del

1 al 3% [10]

§Í3o

-1.2

•I. I

-1.0

-0.9

?0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

O

100

90

80

¿70o£60UJ

1 50zUJ

"=40

30

20

10

RENDIMIENTO

J

/

s

/

DESLIZAMIENTO /

/

/

A/

//

f

¿/

/

//

25 50 75 100 125

FIG. 1.10 Características R = f(Psai) del generador de inducción

(Máquinas de baja velocidad [6]).

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rl-

O

n o o o ri-

O -í O O o te rt>

3 ro -s O) Q.

O -s CA

3 Cu Q.

ro ro o in

O 01 Oí o r+ ro -s O cu co a.

ro 3 a> 3 O ca-

ro 3 Q.

O n Ov

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O O O O Cu -s Cu a- ro o> cu ro o n CL cu Q.

ro CL ro

su n Cu CU o rl- ro -s o Cu t/1 C 3 O ^j,

O 3 Cu ro 10 CL ro IQ 3 ro Cu CL

O -s Cu ro CL c o o o\

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im i 10

IC I IO IO I— I

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M3

A,N Cu

ro ro 3

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- 36 -

1.6 PRINCIPALES DIFERENCIAS ENTRE EL GENERADOR DE INDUCCIÓN ACOPLADO A

UNA BARRA INFINITA Y EL GENERADOR SINCRÓNICO

1.6.1 FUNCIONAMIENTO

El generador de inducción requiere para su excitación de una fuente ex_

terna de potencia reactiva, excitación suplida desde el sistema al que

está conectado o desde capacitores conectados a la línea»para de esta

forma mantener un campo magnético rotativo de distribución senoidal. El

generador sincrónico requiere de un sistema de excitación a partir de

una fuente externa de corriente continua, la cual aplicada a los bobina^

dos de los polos del inductor producen un campo magnético invariante en

el tiempo [9].

El voltaje y frecuencia de salida del generador de inducción (en el e¿

tator) son determinados por la barra a la que esté conectado; un cambio

de velocidad de la máquina motriz influye proporcionalmente en la pote£

cia de salida y sin ningún, efecto sobre la frecuencia. En el generador

sincrónico, la frecuencia y la potencia activa de salida son controla-

dos principalmente con la velocidad de la máquina motriz, mientras que

el voltaje y la potencia reactiva de salida son controlados principal-

mente con la excitación, aunque en ciertos casos su voltaje y su fre-

cuencia pueden ser sostenidos por la barra a la que esté conectada la

máquina [9].

Ya que el generador de inducción demanda una cantidad mínima de poten^

cia reactiva en vacío, su factor de potencia viene a ser progres i vamen_

te menor según como su potencia activa de salida es reducida y decae

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- 37 -

rápidamente a cargas bajas. El generador sincrónico puede operar vi_r

tualmente a cualquier factor de potencia (atraso, unitario o adelanto)

en función de su curva de capabilidad [9].

En máquinas de gran capacidad, tanto el generador de inducción como el

generador sincrónico tienen alta eficiencia. Usualmente el generador

sincrónico tiene mayor eficiencia que un generador de inducción de com_

parable capacidad, particularmente en rangos de alta potencia activa de

salida [9]. La eficiencia del generador de inducción puede mejorarse

si es que el diseño del circuito rotórico se lo hace con baja resiste]!

cia al no necesitarse de torque de arranque, una maquina con rotor jau[

la de ardilla sería la mejor opción [5].

La operación de puesta en marcha del generador de inducción es simple,

primeramente se comprueba que la secuencia de fases de la barra estable

cerán en la máquina un campo magnético giratorio con el mismo sentido

de rotación de la máquina motriz, luego se puede proceder así [12]:

Empezar funcionando el generador de inducción como motor para a

tinuación elevar progresivamente la velocidad de la máquina motriz.

- La máquina motriz es arrancada primero y cuando ha alcanzado una ve^

locidad cercana o levemente superior a la velocidad sincrónica se pro

cede a concetar directamente el generador de inducción a la barra.

Un generador sincrónico opera primeramente en vacío y antes del

enlace al sistema se controla que su voltaje terminal y el vol

taje de la barra coincidan en magnitud, frecuencia y secuencia de fases;

el enlace se hace por medio de un sincronoscopio cuando la diferencia

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- 38 -

de voltaje entre fases iguales es cero.

1.6.2 EFECTOS §OBRE_EL_SISTEMA^PRINCIPAL

Debido a que el generador de inducción demanda potencia reactiva magne_

tizante tiende a bajar el factor de potencia del sistema, característj^

ca que se convierte en una desventaja ya que exige operar a los genera^

dores sincrónicos del sistema con factores de potencia más bajos y mayp_

res corrientes. En cambio, un generador sincrónico puede mejorar el fa£

tor de potencia del sistema gracias a su control de excitación.

Cuando se produce un cortocircuito a los terminales del generador de ir[

ducciónja corriente inicial es determinada por la reactancia subtransj^

toria de la máquina , con una contribución a la falla de pocos ciclos

que decae rápidamente según como colapsa el campo magnético y la ener-

gía almacenada se disipa; la velocidad de decaimiento es gobernada por

la relación X/R de la trayectoria de la falla y por la constante de tiern

po de cortocircuito del generador. Para el mismo tipo de falla, un g e

nerador sincrónico tiene una corriente inicial determinada por su co-

rriente subtransitoria, luego -un período de corriente determinada por

su reactancia transitoria, para finalmente contribuir con una corriente

de falla sostenida determinada por su reactancia sincrónica [9].

1.6.3 MANTENIMIENTQ_Y_COSTOS_RELATiyOS

Los requerimientos de mantenimiento para el generador de inducción se_

rían los mismos que para un motor de inducción de comparable capacidad,

y debido a su simple y fuerte construcción es de bajo mantenimiento.

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- 39 -

El generador sincrónico tiene devanados de campo que son más débiles en

construcción que los devanados del generador de inducción (sobre todo

con relación a las máquinas de inducción con rotor jaula de ardilla), y

más sujetos a daños debido a que las corrientes de falla producen es-

fuerzos mecánicos que aflojan sus bobinados y deterioran su aislamiento.

El equipo adicional utilizado en el generador sincrónico (sistema de ex.

citación, regulador, controles asociados, relés, etc.) hacen que tenga

en general una mayor atención y mantenimiento [9].

Un generador de inducción es de mucho menor costo que un generador sir[

crónico de igual capacidad. Igual situación sucede con el costo del _e

quipo adicional que se utiliza para protección, mediciones y puesta en

marcha [9].

Una válida evaluación económica del uso de uno u otro generador para

na particular aplicación deben incluir factores como: eficiencia, fa£

tor de potencia, costo de energía, pérdidas, costo de mantenimiento, re_

torno de inversión, etc. El factor relativo a la ubicación de cual -

quier generador es también importante; un generador de inducción al aJ3

sorber corriente reactiva para su excitación incrementa la potencia de

pérdidas en los conductores que transportan esta corriente, este efecto

por ejemplo puede ser desfavorable para su escogitamiento [13].

1.7 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL GENERADOR DE INDUCCIÓN ACOPLADO A UNA

BARRA INFINITA

1.7.1 VENTAJAS_DE_6ENERADgR_DE_INDyCCION [11]

- Substancialmente menor costo.

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- 40 -

- Menores costo y complejidad en el equipo de protección y operación.

- No requiere de una fuente separada de excitación de corriente contí[

nua.

- La máquina de inducción con rotor jaula de ardilla es simple y de

muy fuerte construcción que cualquier otra máquina eléctrica, y

No introduce voltajes armónicos al sistema, en efecto, el rotor jaj¿

la de ardilla tiende a amortiguarlos.

- No contribuye con una corriente sostenida de falla en caso de un co_r

tocircuito en el sistema.

- Costo y requerimientos de mantenimiento son menores.

1.7.2 DESyENTAJAS_DEL_GENERADgR_DE_INDyCCigN [13]

- Su funcionamiento no es autónomo puesto que es conectado a una ba-

rra que posee un voltaje y frecuencia determinados.

- Como su corriente de excitación es totalmente reactiva, el sistema

que la proporciona tiende a bajar su factor de potencia.

- En general, el generador de inducción tiene una menor eficiencia que

un generador sincrónico de igual capacidad.

- Cuando sucede un brusco des-censo de la carga o se desconecta del si^

tema el generador bajo carga, existe el peligro de que la máquina mp_

triz se embale a causa de que el generador está prácticamente en va^

cío.

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C A P I T U L O I I

LA MAQUINA DE INDUCCIÓN COMO GENERADOR AUTOEXCITADO

El generador de inducción autoexcitado es otra forma de operación de la

máquina de inducción. Ahora, la máquina de inducción funciona aislada^

mente y sus terminales del estator van conectados a capacitores y a la

carga.

Para el estudio se considerará una máquina de inducción polifásica, sj_

métrica y con conexiones balanceadas. No se tomará en cuenta los efe£

tos de la temperatura, pero sí los efectos de la frecuencia y satura-

ción magnética.

2.1 FUNDAMENTOS DEL GENERADOR DE INDUCCIÓN AUTOEXCITADO

Para cualquier modo de operación, la máquina de inducción requiere de u[

na componente reactiva de corriente relacionada con el campo magnético

rotativo desarrollado. En convencionales aplicaciones estas corrien-

tes de excitación son suministradas desde el sistema al que esté cone£

tado la máquina. Desde el punto de vista de cada fase, el campo magné

tico de la máquina' requiere de una fuente de potencia reactiva [14].

Un capacitor sin pérdidas y conectado a una red cabe considerarlo como

un receptor de corriente en adelanto de 90° o como un generador de cp_

rriente en atraso de 90° respecto a la tensión de la red. Por lo tanto

es factible sustituir, total o parcialmente, el suministro de corriente

en atraso que demanda el generador de inducción para la excitación de

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- 42 -

su circuito magnético,con la corriente generada por capacitores conect¿

dos a sus terminales estatóricos [1].

Si toda la corriente en atraso de la máquina procede de los capacitores,

llamados de excitación, el funcionamiento del generador de inducción se

dice que es autónomo al ser capaz de operar aisladamente de un sistema.

Su voltaje y frecuencia generados son función de la velocidad aplicada

al eje, capacitores y carga. La potencia activa es suministrada por trie

dio de una máquina motriz y la potencia reactiva es suministrada tanto

al generador como a la carga por medio de los capacitores.

2.2 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO Y'CIRCUITO EQUIVALENTE

En la Figura 2.1 se representa una máquina de inducción jaula de ardi_

lia. La configuración del generador de inducción autoexcitado abarca:

una máquina motriz acoplada a su eje, devanados del rotor cortocircuito

dos, devanados del estator en paralelo con capacitores (uno por fase) y

la carga.

CAPACITORES DE EXCITACIÓN

MAQUINA DE INDUCCIÓN

MAQUINAMOTRIZ

CARGA

FIG. 2.1 Configuración del generador de inducción autoexcitado.

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- 43 -

El circuito equivalente del generador de inducción autoexcitado en esta_

do estable es básicamente el circuito equivalente de la máquina de iji

ducción de la Fig. 1.2. En paralelo a los terminales del estator por

fase se incluyen al capacitor de excitación y la impedancia de carga

(Fig. 2.2).

Aceptando inicialmente un régimen de frecuencia de operación f variable,

se redefinen los parámetros que dependan de ésta. El circuito equiva-

lente es:

-J*CL

IMPEDANCIA DE CARGA

IL

41 1

CAPACITORDE

EXCITACIÓN

Vx

MAQUINA DE INDUCCIÓN

FIG. 2.2 Circuito equivalente por fase del generador

de inducción autoexcitado.

donde:

Xls

r> Xlr

m

CL

resistencia y reactancia de dispersión del estator.

resistencia y reactancia de dispersión del rotor (referidos

al estator).

reactancia de magnetización.

resistencia, reactancia inductiva y reactancia capacitiva

de carga.

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- 44 -

X = reactancia capacitiva del capacitor de excitación C.cI. = corriente de carga,

I = corriente del capacitor de excitación.

Todas las reactancias están a la frecuencia de operación f.

2.3 PRODUCCIÓN DE LA AUTOEXCITACIÓN

El proceso electromagnético por el cual aparece un voltaje a los ternr[

nales estatóricos de la máquina de inducción en paralelo con capacito-

res es llamado autoexcitación. Comienza desde el reposo,cuando es in-

dispensable la existencia de un flujo remanente en el hierro del rotor

[2].

En vacío, al hacer girar el rotor a velocidades superiores a la sincrói

nica (para una frecuencia dada), el flujo remanente inducirá en los de_

vanados del estator débiles f.e.m.s. (V ) a una frecuencia proporcional

a la velocidad del rotor [15]. Bajo la acción de este voltaje alterno

inducido, por los capacitores circulará una corriente en adelanto Tc,

la misma corriente circulará por los devanados del estator con una rea£

ción de inducido magnetizante que amplificará el flujo remanente ini-

cial de la máquina. Corno consecuencia aumentarán las magnitudes de la

f.e.m. inducida y a su vez la de la f.m.m. magnetizante [1].

Si el capacitor y velocidad del rotor son de valores adecuados, el pro_

ceso de aumento de corriente estatórica y voltaje inducido continuarán

hasta alcanzar un estado estable que es impuesto por la saturación del

circuito magnético de la máquina [15].

Page 56: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 45 -

Este comportamiento es similar al del generador de continua en deriva^

ción autoexcitado [16],

2.4 CARACTERÍSTICAS EN VACIO

Las características en vacío del generador de inducción autoexcitado e

tan relacionadas directamente con el proceso y estado estable alcanzado

en la autoexcitación./

2.4.1 OETERMINACIQN_DEL_ygLTAJE_TERMINAL

El generador de inducción autoexcitado en vacío tiene un deslizamiento

aproximadamente igual a c¿ro [16]. Bajo esta circunstancia,el circuito

equivalente puede prescindir de la rama del rotor, además, si el efecto

de la pequeña resistencia del estator no es tomada en cuenta, el circuj^

to equivalente en vacío se convierte en un circuito paralelo capacitor-

inductancia (máquina de inducción) (Fig. 2.3.a). A tal circuito se 11 e

ga cuando la máquina alcanza un estado estable en su autoexcitación, e

tado que determina que la corriente por la inductancia Im sea igual a

la corriente por el capacitor Ic [17].

La característica de magnetización de la máquina a velocidad sincrónica

y frecuencia nominales es la curva O'A de la Fig. 2.3.b. Puede obser-

varse que para cada valor de capacitor hay un único punto donde las C£

rrientes por la inductancia y el capacitor son iguales, punto ubicado

en la intersección de la curva de magnetización y la característica \\_

neal voltaje-corriente del capacitor (recta OC). Consecuentemente, el

voltaje terminal V. en el circuito es definido por esta intersección y

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- 46 -

por la saturabilidad de la inductancia [17].

VELOCIDAD- SINCRÓNICA

NOMINAL

RE8IONINESTABLE

FIG. 2.3 a) Circuito equivalente aproximado por fase del genera^

dor de inducción autoexcitado en vacío,

b) Características de magnetización de la máquina de

inducción y característica lineal del capacitor de

excitación por fase a velocidad sincrónica nominal

(Máquina A: 220V, 5HP, 60Hz, 3 fases [16]).

2.4.2 DETERMINACIÓN DE LA FRECUENCIA DE OPERACIÓN

La frecuencia de operación del generador de inducción autoexcitado es

obtenida a partir de las ecuaciones (1.3) y (1.4), siendo igual a [18]:

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- 47 -

V ' pf = _r (2.1)120.(1-s)

En vacío, cuando el deslizamiento es prácticamente cero al entregar la

máquina motriz únicamente potencia de pérdidas, la frecuencia de opera^

ción es directamente proporcional a la velocidad del rotor [16].

2.4.3 CAPACITOR_DE_EXCITACION_MINIMO

El voltaje terminal alcanzado en la autoexcitación depende de la satura^

ción del circuito magnétic-j de la máquina, o sea de la no linealidad de

la característica de magnetización. En bajas corrientes donde la curva

de magnetización es prácticamente lineal (recta O'B de la figura 2.3),

la intersección con la característica lineal del capacitor no es bien

definida, como resultado aparece una región de inestabilidad y un valor

mínimo de capacitor, o máximo valor de reactancia capacitiva, fuera del

cual no se mantendrá la excitación [17]. El generador de inducción ajj

toexcitado en vacío, operando a una determinada velocidad y en la re_

gión estable, cumple [4, 15]:

V 1

donde (Xm + X-|S)Q,B es la pendiente de la recta OB1 de la característj_

ca de magnetización.

De acuerdo a la ecuación (2.6), el capacitor mínimo por fase a la fre

cuencia de operación en vacío y antes de perderse excitación es:

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- 48 -

r = l o 7)mínimo 2 fl f (X + X )¿ . n . f.i* + x ) ,

2.5 CARACTERÍSTICAS EN CARGA

Las principales características del funcionamiento en régimen permanen-

te del generador de inducción autoexcitado en carga relacionan entre sí

a su voltaje terminal V^, frecuencia de operación f, potencia activa de

carga P , y deslizamiento s. Estas características serán analizadas

manteniendo constantes la velocidad de la máquina motriz n y el capaci^

tor de excitación C, mientras varía la carga de factor de potencia fp

constante.

2.5.1 CARACTERISTICAS_DE_yOLTAJE_TERMI NAL

Partiendo de vacío, el voltaje terminal disminuye, cuando tiene lugar un

incremento de la carga resistiva e inductiva, excepto con la carga capa^

citiva que tiene un ligero aumento o mantiene un voltaje terminal hasta

cierto punto en que también comienza a disminuir (Fig. 2.4). Tal com-

portamiento se debe principalmente a la condición de operación con un

capacitor de excitación constante, éste se convierte en fuente de poter^

cia reactiva para la máquina y para la carga de factor de potencia en a^

traso.

En vacío se establece un equilibrio de corrientes reactivas (Fig. 2. 5. a)

dado aproximadamente por [17]:

* Im

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- 49 -

Con cargas de factores de potencia unitario y en atraso (Fig. 2.5.b-c),

el incremento de carga hace que la componente reactiva en atraso de la

corriente de estator (para ambos factores de potencia) y la componente

reactiva en atraso de la corriente de carga (para factor de potencia en

atraso), perturben el equilibrio inicial de vacío. Al no ser compensa^

das estas componentes de corriente en atraso con idénticas componentes

en adelanto, la máquina disminuye su corriente de magnetización y selec_

ciona otro punto de operación en su característica de magnetización.

Esto resulta en menores f.e.m. inducida y voltaje terminal [17].

Con cargas de factores de potencia en adelanto (Fig. 2.5.d), el incre-

mento de carga hace que inicialmente el voltaje terminal se mantenga

constante o aumente. Esto sucede hasta cierto punto en que la componejí

te reactiva en adelanto de la carga, junto a la corriente del capacitor

de excitación, compensan igual o en exceso a la componente reactiva en

atraso del estator. Luego, el voltaje terminal comienza a disminuir al

no ser suficiente la compensación.

En la Fig. 2.4 se observa también que con el incremento de la carga,

la potencia activa de salida aumenta sólo hasta un cierto valor, para

luego empezar a disminuir (retroceso). Esta situación se explica por

el cambio de operación de la máquina sobre su curva de magnetización.

Mientras opere en la parte de mayor saturación se tendrá menores varia^

cienes de voltaje con el incremento de la carga y mayor potencia activa

de salida. Luego, cuando la máquina adquiera un estado cada vez menos

saturado (en el codo y parte lineal de mayor pendiente), se producen nra

yores variaciones de voltaje con el incremento de carga y la potencia

activa de salida empieza a disminuir.

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- 50 -

Incrementos posteriores de la carga disminuyen cada vez más el voltaje

terminal y la corriente de magnetización hasta que llega un punto de c£

lapso en que el voltaje desciende a cero. Esta pérdida de excitación se

produce cuando la máquina opera en la parte de mayor pendiente de su cu£

va de magnetización, y la corriente de excitación ya no es suficiente.

400

300

20O-

100-

fpiO.8( ADELANTO)

fp-0.9( ADELANTO)

fp:I.O

nr= 1500 RPMC=49.luF/FASE

01

0.5 1.0l

1.5 2.0 2.5 P CKW 3

FIG. 2.4 Característica V. = f(P -,) para diferentes factores de

potencia de la carga (Máquina B: 230V, 2.9HP, 50HZ, 3 fases [2Z]).

T V>T'1$ w- lr

FIG. 2.5 Diagramas fasoriales del generador de inducción autoexcitadode acuerdo a su circuito equivalente para: a) vacio, b) carga resistiva,

c) carga inductiva, d) carga capacitiva.

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- 51 -

2.5.2 CARACTERISTICASDEDESLI ZAMIENTO

En el generador de inducción acoplado a una barra infinita, la mayor o

menor transferencia de potencia al sistema es interpretado por medio de

la mayor o menor magnitud del deslizamiento negativo respectivamente.

En el generador de inducción autoexcitado.la transferencia de potencia

se realiza a la carga conectada a los terminales del estator, y de i_

gual forma, el deslizamiento se hace más negativo con el incremento de

la potencia activa de salida (Fig. 2.6); a partir del punto de retroce^

so de la potencia, la disminución de la corriente de magnetización y el

debilitamiento del flujo provocarán el incremento de la magnitud del

lizamiento [17].

n5uíto.

2000

1500-

1000

500

-I L-

DESLIZAMIENTO

nr=isoo RPMC- 73.1 uF/FASE

100 200 300 . 400

- O

cNI

Í

In

u

FIG 2.6 Característica s = f(i\ y psal^rL) Para Car9a resistiva (Má-

quina C: 220V, 3 HP, 50 HZ, 3 fases [21]).

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- 52 -

2.5.3 CARACTERISTICASDEFRECUENCIADEPERACiN

Cuando el generador de inducción autoexcitado suple una carga, la ^

cuencia del voltaje terminal y de la f.e.m. del estator está dada

por la ecuación (2.1). Por lo tanto, las características de la frecuejí

cia de operación (Fig. 2.7) están relacionadas con las características

de deslizamiento.

La frecuencia de operación en vacío es directamente proporcional a la

velocidad del rotor. Con carga y con el aumento de la potencia activa

de salida, el deslizamiento se hace más negativo y la frecuencia de ope_

ración decae con un factor (l/(l-s))[ 4 ].

nu

O.

2000-

I5OO-

1000 -

500-

J—i -i L.

l '100

psol

RPM

C=73.luF/FA3E

200I T

300r •400

- 50- 49- 48- 47- 46

FIG. 2.7 Característica f = f(rL) y Psal = f(r ) para carga resistiva

(Máquina C [21]).

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- 53 -

2.6 EFECTOS SOBRE EL FUNCIONAMIENTO DE LA MAQUINA AL VARIAR LA VELOCI-

DAD, CAPACITOR DE EXCITACIÓN Y CARGA

2.6.1 §FECTg_DE_LA_yARIACION_DE_LA_yELgCIDAD

Según la ecuación (2.1), la variación de la velocidad de la máquina mo_

triz influye en forma directa sobre la frecuencia de operación del gene_

rador de inducción autoexcitado a cualquier condición de carga. En la

Fig. 2.8 muestra su efecto para la condición de vacío.

70-

60-

50-

40-

30 -

20-

iO-

C= 168.9 uF/FASE

O ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' I2700 2800 2900 3000 3100 3200 3300 3400

VELOCIDAD CRPM3

FIG. 2.8 Característica f = f(n ) para la condición de vacío

(Máquina D: 220 V, 10 HP, 60 HZ, 3 fases [20]).

Con respecto al voltaje terminal, dos factores influyen en su determi_

nación cuando varía la velocidad. El primero es el relativo a la imp£

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- 54 -

sición de la máquina de inducción de una diferente característica de la

magnetización para cada velocidad y por lo tanto para cada frecuencia

de operación. Al aumentar la velocidad, la máquina toma una caracterís_

tica de magnetización "mayor" [10, 12].

El segundo factor es el cambio de pendiente de la característica lineal

voltaje-corriente del capacitor de excitación. La pendiente, igual a

la reactancia capacitiva, varía inversamente con la frecuencia.

Así, un incremento de velocidad produce un incremento de voltaje termj_

nal por doble causa, determinándose otro punto de intersección entre

las características. En las figuras 2.9.a y 2.9.b se muestra este efec^

to para la condición de vacío.

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320-

280-

240-

200-

160-

120-

80-

40-

nr2>nr,

VELOCIDADSINCRÓNICANOMINAL

SOBREVELOCIDAD

IcCAD

(a)

270 -

250-

230-

210-

190-

r.'0-

ISO

C-168.9 uF/FASE

(b)

• i ' i • i • i ' t • i • i ^^2700 2600 2900 3000 51OO 3200 3300 34OO

VELOCIDAD CRPM3

FI6. 2.9 a) Características de magnetización de la máquina de induccióny características lineales del capacitor de excitación a v<ílocidad sincrónica nominal y sobrevelocidad.

b) Característica Vt = f(nr) para la condición de vacío (Máquj_

na D [20]).

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- 56 -

a

2.6.2 §FECTg_DE_LA_yARIACigN_DEL_CAPACITgR_DE_EXCITACigN

La variación del capacitor de excitación no influye mayormente sobre 1

frecuencia de operación del generador de inducción autoexcitado [19], y

para la condición de vacío ésta permanece constante [20].

Con relación al voltaje terminal, la variación del capacitor de excita-

ción determina un cambio en su característica lineal voltaje-corriente

y se tendrá otro punto de intersección con la característica de magne-

tización de la máquina. Al aumentar el capacitor de excitación, dismi_

nuye la pendiente de su característica lineal y aumenta el voltaje te_r.

minal. En las figuras 2.10.a y 2.10.b se ilustra este efecto para la

condición de vacío.

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- 57 -

Avtcv:i320-

280-

240-

200-

160-

120-

80-

40-

C2>Cl

( a )

ICCA:Ii i i r2 3 4 5

400-

30O-

200-

100-

25i30

= !500 RPM

45 5035 40CAPACITOR DE EXCITACIÓN CuF3/FASE

(b)

FIG. 2.10 a) Característica de magnetización de la máquina de induccióny características lineales de los capacitores de excita-ción a velocidad sincrónica nominal.

b) Característica Vt = f(C) para la condición de vacío (Máquj_na B [22]).

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- 58 -

2.6.3 EFECTO DE LA VARIACIÓN DE LA CARGA

Considérese la situación inicial de que el generador de inducción aut£

excitado está en vacío y operando en el punto A de su característica de

magnetización de la Fig. 2.11. Luego,al conectarse carga resistiva a

los terminales del estator, la variación de la frecuencia de operación

causada por el deslizamiento afecta a las reactancias inductivas con un

factor (l/(l-s))ya la reactancia del capacitor de excitación con un fac_

tor (1-s) [4]. Por lo tanto, el incremento de la potencia activa de

salida hace que la característica de magnetización de la máquina siga u

na curva "menor" y aumente la pendiente de la característica lineal del

capacitor de excitación, produciéndose Ta intersección de las mismas a

un voltaje terminal menor (punto B de la Fig. 2.11) [18].

FIG. 2.11 Efecto de la carga resistiva en la característica de magnetj_zación de la máquina de inducción y en la característica ljneal del capacitor de excitación.

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- 59 -

Para el caso de cargas con factores de potencia en atraso o adelanto,

al efecto provocado por la disminución de la frecuencia de operación,

se suma el efecto de la componente reactiva de la corriente de carga so

bre la corriente reactiva del capacitor de excitación, obteniéndose o

tros puntos de intersección de curvas características (punto C para ca_r

ga inductiva y punto D para carga capacitiva en la Fig. 2.12) [18, 21].

CAR8A INDUCTIVA

/ CAR8A CAPACITIVA

FIG. 2.12 Efecto de la componente reactiva de la corriente de carga en

la característica lineal del capacitor de excitación.

Mientras la construcción gráfica ayuda a explicar cómo los factores voj

taje terminal, frecuencia' de operación y tipo y variación de carga son

acoplados, la determinación de variables no es posible a partir de este

método, al tener que satisfacerse simultáneamente relaciones de balance

de potencia [21]. Consecuentemente, el análisis gráfico muestra un e-

fecto equivalente.

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- 60 -

2.7 RENDIMIENTO

Como una máquina convertidora de energía mecánica a energía eléctrica,

el balance de potencia activa del generador de inducción autoexcitado

es similar al del generador de inducción acoplado a una barra infinita;

el rendimiento R es igual a:

R =sal

m(2.9)

donde:

potencia activa de salida o en la carga.

El rendimiento es afectado por factores como velocidad, capacitor de ex

citación y tipo de carga; su valor aumenta desde cero en vacío, a val o

res relativamente altos con el incremento de carga (Fig. 2.13).

n5uoM

O.

2000-

1500-

1000-

500-

l l l

RPMC=73.luF/FA3E

i r100

I '200 300 400

mg2mzHOn3*U

- IOO- 90- 60- 7O

- 6O- 50- 4O

- 30

20

FIG. 2.13 Característica R = f(r, ) y P , = f(r. ) para carga resistiva

(Máquina C [21]).

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C A P I T U L O III

MODELACIÓN DEL GENERADOR DE INDUCCIÓN AUTOEXCITADO EN ESTADO ESTABLE

El análisis del generador de inducción autoexcitado es de interés desde

el punto de vista de su operación en estado estable..

En el caso del generador de inducción acoplado a una barra infinita, el

voltaje terminal y frecuencia son conocidos, siendo predecible su desern

peño bajo ciertas asumciom'S. Sin embargo, en el generador de inducción

autoexcitado usado como fuente aislada de potencia, el voltaje terminal

y frecuencia de operación son desconocidos, debiendo ser calculados pa_

ra determinados velocidad, capacitor de excitación y carga.

Este capítulo describe un procedimiento para encontrar las variables de

estado estable del generador de inducción autoexcitado.

3.1 CONSIDERACIONES PARA LA MODELACIÓN

Las siguientes asumciones son hechas para el análisis de este capítulo

[19, 22]:

a) Es asumido que sólo la reactancia de magnetización xm es afectada

por la saturación magnética, y todos los otros parámetros del ci>t

cuito equivalente son asumidos constantes. La autoexcitación resul_

ta de la saturación del flujo principal, y como el valor de la reac^

tancia de magnetización xm refleja la magnitud del flujo principal,

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- 62 -

es esencial incorporar en el análisis la variación de xm con el ni^

vel de saturación del flujo principal. El paso de los flujos dedi^

persión ocurren principalmente en el aire, por lo que estos no son

afectados en mayor forma por la saturación del flujo principal.

b) Las pérdidas en el hierro de la máquina son despreciables.

c) Armónicas espaciales de f .m.m. y armónicas de tiempo en las

mas de onda de voltaje y corriente inducidos son ignoradas.

d) No son considerados los efectos de temperatura y frecuencia sobre

las resistencias.

3.2 CIRCUITOS EQUIVALENTES

3.2.1 CI RCyiTQ_EgyiyALENTE_DE_ESTADg_ESTABLE

Ya que el generador de inducción autoexcitado opera con frecuencia f va_

riable, el circuito equivalente de la Fig. 2.2 es proyectado en el pla^

no del voltaje de entrehierro Vg y de la corriente de magnetización Im

a frecuencia nominal o base fb. Esto define un nuevo circuito equiva-

lente en estado estable, donde todos los parámetros son referidos a la

frecuencia nominal (asumiendo que todas las reactancias inductivas son

proporcionales a la frecuencia) [20]. Tal circuito es mostrado en la

Fig. 3.1, donde los símbolos Fy w tienen los siguientes significados:

[22]:

F = Relación entre frecuencia generada f y frecuencia nominal fb, o

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- 63 -

frecuencia generada en p.u.

w = Relación entre velocidad actual del rotor nr y velocidad sincróni_

ca nominal n , (correspondiente a la frecuencia nominal), o vel£

cidad actual del rotor en p.u.

El deslizamiento s puede entonces ser expresado como:

F - ws = (3.1)

Además, ya que el deslizamiento es negativo, w es mayor que F [20] .

rL/F

IMPEDANCIA DE CARSA ZL

•t'F jx|S

GENERADOR DE INDUCCIÓN AUTOEXCITADO

F-s" F-w

FIG. 3.1 Circuito equivalente por fase del generador de inducción

autoexcitado reducido a frecuencia nominal o base.

Todas las reactancias del circuito de la Fig. 3.1 están calculadas a fre^

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- 64 -

cuencia nominal. Son retenidos los valores de las reactancias inductj[

vas, mientras que los valores de resistencias, reactancias capacitivas

y voltajes son adecuadamente modificados [23]. Los propios valores de

operación de los parámetros de máquina, y de su circuito exterior, se

recuperan al formar las ecuaciones de equilibrio de voltajes en cada

malla. A frecuencia de operación, los valores de las reactancias son:

Xm = xm.F (3.2)

Xls = xls'F(3.4)

Xc = xc/F (3.5)

XL = XL.F (3.6)

XCL = XCL/F (3>7)

3.2.2 CgMPgNENTES_SIMETRICAS_INSJANTANEAS

La teoría de componentes simétricas fasoriales, en asociación con la tep_

ría generalizada del campo magnético rotativo, ha sido usado para el anj[

lisis de estado estable de las máquinas de inducción con conexiones asi-

métricas o aplicación de voltaje desbalanceado. Para el desarrollo de

modelos y análisis transitorio de máquinas, con conexiones simétricas o

asimétricas, similares técnicas pueden ser adoptadas usando transforma-

ciones de componentes simétricas instantáneas [24].

La matriz de transformación de componentes simétricas instantáneas es:

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- 65 -

[c] = 1/T-

1

a2

a

1

a

a2

1

1

1

(3.8)

donde:

a = eJ2.1T/3 (3.9)

Las componentes simétricas instantáneas transformadas a variables trif£

sicas va, vb y vc están dadas por:

[vjabc = [c] [v]+ (3.10)

donde:

Mabc - Cva vb vc]T

_ +_o r + _ o-J[v] = [v v vu]

(3.11)

(3.12)

Siendo v , v" y v° las componentes de secuencia positiva, negativa y ce_

ro respectivamente [25].

Entre las principales características de las componentes simétricas ín_s_

tantáneas para variables trifásicas están [26]:

- Debido a que las variables originales (v , v. y v ) asumen diferen-d u c*

tes valores en diferentes instantes de tiempo, las correspondientes

componentes simétricas instantáneas también asumen diferentes valo -

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- 66 -

res en estos instantes.

- Aún con la aplicación de variables balanceados al estator de la má

quina, siempre existirá la componente de secuencia negativa instantjá

nea de acuerdo a la ecuación (3.10), mientras que el "fasor" de sie

cuencia negativa no existe. De ahí que es esencial distinguir entre

las componentes simétricas instantáneas y las componentes simétricas

fasoriales, aunque sus matrices de transformación sean similares.

- La componente de secuencia cero no existe para el caso de sistemas

sin neutro.

- Las componentes simétricas instantáneas son números complejos.

- La componente de secuencia negativa es el complejo conjugado de la

respectiva componente de secuencia positiva.

3.2.2.1 Circuito Equivalente Operacional de Secuencia Positiva

Para el análisis transitorio de la máquina de inducción se usa conve-

nientes circuitos equivalentes operacionales (con operadores o deriva_

das respecto al tiempo). El circuito equivalente operacional de secuej^

cia positiva del generador de inducción autoexcitado es obtenido a pajr

tir de un circuito equivalente de estado estable de la Fig. 2.2, utilj_

zándose directamente parámetros medibles de resistencias y reactancias

y transformaciones que se deducen a continuación.

Dentro de condiciones de estado estable, el voltaje en una inductancia

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L por la que circula una corriente sinusoidal i(t) a una frecuencia

f = F.fb es:

j X-|.T = j Z.H.f.L.T = j F.X-I.T (3.13)

donde:

T = Fasor de la corriente i(t)

X] = Reactancia inductiva de L a frecuencia f

X] = Reactancia inductiva de L a frecuencia nominal fb

En condiciones de estado transitorio este voltaje es:

±J-ílL = Z.IT.fb.L .p i(.t) = xi.p i(t) (3.14)dt

siendo p un operador igual a:

p =

'(Z.lí.fb) dt

El factor (2.fl.fb) aparece en el denominador de la ecuación (3.15) para

retener el valor de la reactancia a frecuencia nominal en la ecuación

(3.14). El mismo resultado sería obtenido si se mide t en radianes de mp_

vimiento angular a velocidad sincrónica nominal, en lugar de en segun-

dos, y (Z.fl.fb) fuera omitido [27].

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En forma similar, el voltaje en un capacitor C dentro de condiciones

de estado estable es:

X 1 1

j j 2.1í.f .C j F

donde:

X = Reactancia capacitiva de C a frecuencia f\f

x = Reactancia capacitiva de C a frecuencia nominal fbG

y dentro de condiciones de estado transitorio este voltaje es:

I / i dt = 1—_ 1 = x í (3.!7)C 2.1I.fb.C p p

Puede ser observado que la transformación de las ecuaciones (3.13) y

(3.16) de estado estable, a las respectivas ecuaciones (3.14) y (3.17)

de estado transitorio, es por medio de la sustitución [_2^i]:

F = -j P (3.18)

Estas mismas transformaciones se aplican a los parámetros del circuito

equivalente de estado estable de la Fig. 2.2. El deslizamiento s en es^

tado estable es dado por la ecuación (.3.1), aplicando la transformación

de la ecuación (3.18) para estado transitorio:

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- 69 -

(3.19)s = 1-3-p

Así, el circuito equivalente operacional de secuencia positiva del gene^

rador de inducción autoexcitado es presentado en la Fig. 3.2.

IMPEDANCIA DE CAR8A

"Is'P xl'r'P

6ENERADOR OC INDUCCIÓN AUTO" XCITADO

r'r

FIG. 3.2 Circuito equivalente operacional por fase de secuejí

cia positiva del generador de inducción autoexcitado.

+Aquí, i + es la corriente instantánea de estator de secuencia positivao

que en función de las corrientes instantáneas de fase i'sa, i^ e i'sc>

es:

r i,.<t) + «. (t) (3.20)

además:

is+(t) = Re{is+(t)}+ (3.21)

Este circuito equivalente operacional no es visto como un modelo diná-

mico capaz de representar los efectos de saturación durante el proceso

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- 70 -

transitorio de autoexcitación en la máquina [22],

3.3 ANÁLISIS MATEMÁTICO

Del circuito equivalente operacional de la Fig. 3.2, y en ausencia de

fuentes externas aplicadas [23], la siguiente ecuación de malla puede

ser escrita [22J:

is+(t) = OZL(P)

ZL(P)

r1Y Y n ( v . ' n •!- -J f . ^xc xnr P '^ x i r -P u /

' ~P~ . , , Fxc ' rs ' xls'p + ( r-

+ ~p~ Xni>p + xlr*p + /u

(3.22)

donde:

z.(p) = Impedancia de carga (función del operador p)

La ecuación (3.22) expresada como un polinomio en p es:

A(p) . is+(t) = O (3.23)

La cual es una ecuación diferencial lineal homogénea con coeficientes

A., constantes, de la forma:

An.pn Ai.p i A0.is+(t) = O

(3.24)

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- 71 -

Z.U.fb dt n,l 2.U.fb dt

(3.25)

Al

E.H.fb dt

Para resolver el tipo de ecuación de equilibrio (3.24) suponemos una so>

lución de la forma [28]:

(3.26)

donde K y Z son constantes por determinanrse, y Z es independiente de

t.

Reemplazando la ecuación (3.26) en (3.25) se obtiene:

(-1—)n K.zn.e'-t.+ A (—io ft .cu •!"" o *r2.f.fb

Ai (—-—) K.Z.eZ>t + A0.K.ez>t = O2.1T.fb

(3.27)

K.ezt An

2

Z

.U

n

.fb + Vi 2

Z

.11.

vn-iy * • « • *

fb 2

Z

.H.+ í

fbU = o

(3.28)

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A _ _ _ + A O..n Z.fl.fb 2.U.fb 2.1F.fb

= O

(3.29)

Puesto que i (t) no puede ser cero, se deduce de la ecuación (3.29)

que la expresión:

——) + An .(——-)" +...+ -AI -— + Ao = O2.1f.fb n 2.fl.fb 2.H.fb

(3.30)

debe cumplirse si la ecuación (3.26) a de ser solución.

La ecuación (3.30) es la ecuación característica de la red; asociándose

con la variable:

y = - — (3.31)2.H.fb

esta ecuación es igual a:

An.yn + A^.y""1 + ... + A! .y + A0 = O (3.32)

La ecuación (3.32) guarda cierta semejanza con la ecuación (3.24)» al

tener iguales coeficientes, y coincidir el orden y grado por término.

Las n raíces de la ecuación característica (3.32) pueden ser reales o

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complejas, en general de la forma:

y,- = a. + jb. (3.33)

Despejando Z de la ecuación (3.31) y reemplazando la ecuación (3.33):

Zi = 2.1Lfb.(a. + jb.) (3.34)

En base a las ecuaciones (3.26) y (3.34), la solución completa de la

ecuación (3.24) en el dominio del tiempo es 28 :

).t + K2>e2.1T.fb.(a2+jb2).t + _ +

lt (3.35)• i

„ ,2.11 .fb.ai.t j2.1T.fb.bi.t . i/ 2.1í.fb.a2.t . .• s v -, = KI .e .e + K2.e + ... +•

+ K .e^'-^^n-*.. e -'- n'* . eJ2'1F-fb-bn.-t (3.36)n v" '

Con respecto a la ecuación (3.36), las partes reales de las raíces a.

dan como resultado componentes exponenciales decrecientes en el tiempo

si son negativas (.respuesta inestable) o componentes exponenciales cre^

cientes si son positivas (respuesta inestable). La agrupación de las

partes imaginarias de las raíces b- dan como resultado componentes se-

noidales o cosenoidales en el tiempo, y de velocidad angular (2.n,fb.b.)

según las ecuaciones:

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- 74 -

ejo = cose + j senG (3.37)

e"j9 = coso - jsene (3.38)

Las constantes K.¡ se encuentran por el reemplazo de convenientes condj[

cienes iniciales en la solución completa de la ecuación (3.35).

3.3.1 §CyACigNES_CARACTERISTICAS_PARA_LgS_DIFERENTES_TIPgS_DE_CARGA

Para los diferentes tipos de carga, las respectivas ecuaciones caract£

rfsticas son obtenidas a partir del circuito equivalente de la Fig. 3.2,

y planteando ecuaciones similares a la ecuación (3.22).

El grado y coeficientes de cada ecuación característica, que tienen la

forma de la ecuación (3.32), dependen de los parámetros de la máquina,

capacitor de excitación, velocidad e impedancia de carga (z[_(p)). Así

tenemos:

- Para vacío z^(p) = °°

(xlr xls+x"is-xm+xlr'xm) y3 + [(rs-x +rs.x .x .x -jw. (xlr.x]s

x-|s.xm+x-,r.xm)] Y2 + [(xc.xi¿+xc.xm+r¿.rs)-jw.(rs.x1¿+rs.xm)] y +

C(r;.xc)-jw.(xc.x-,;+xc.xm)] = O (3.39)

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- Para carga resistiva Z|_(p) = rL:

.Xn,) y3 + C(a-rs-x|r+rL^s-xm+rL-rr-x]s+

y2 +[(a-xc-x]r+a-xc-xm+a-rr-rs+rs-xc-xlr+rs-xc-xm+

rs.xc.x1^rs.xc.xm)] •-- O (3.40)

- Para carga inductiva z[_(p) = r|_ + XL-P:

rL-xm-xis+a-xlr-xm)] Y2 +

rs-xc-xlr+rs-xc-xm+rr-xc-xls+rr'xc-xm) -

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r¿.rs.xc) -ju.(rL.xc.x1^+rL.xc.xm+rs.xc.x^+rs.xc.xm)] = O

(3.41)

XCLPara carga capacitiva z, (p) = r, +

xCL-x l r-x ls+ xCL ^Is^m

xc-x lr ' xm) -J'w-(rL-xl r-

xCL-x l r - x ls+ xGL-x ls-Vxc-x l r - x ls+ xc-x ls-xm+ xCL-x l r - xm+ xc-x l r - xm)]

rL.xc.xm+rs.xa.x1^+rs.xCL.xm+rs.xc.x1^+rs.xc.xm)] y + C(rf.xc.xCL) -jw.

(xc.xCL.x1)l+xc.xCL.xm)] = O (3.42)

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- 77 -

3.4 MÉTODO DE SOLUCIÓN

Aunque no se trata de hacer un estudio detallado del estado transitorio

de la autoexcitación, es por medio de las raíces de la ecuación caracte^

rística del circuito equivalente operacional de secuencia positiva, y

su localización en el plano complejo, como se interpreta que la máquina

alcanza el estado estable de operación.

Consideremos la situación en que la máquina de inducción es manejada a

velocidad constante, se conecta un capacitor de excitación mayor al mí

nimo y el proceso de la autorexcitación da inicio. La parte real de ±

na raíz particular de la ecuación característica correspondiente será

mayor a cero, mientras las otras raíces tendrán partes reales negativas

ubicadas en el segundo y tercer cuadrante, significando componentes de

corriente que desaparecen rápidamente en el tiempo (Apéndice A). Debido

a la autoexcitación, el voltaje terminal V^ y el voltaje de entrehierro

Vg continúan incrementándose en el tiempo. El flujo magnético princi_

pal de la máquina se satura y efectivamente la reactancia de magnetiza-

ción Xm decrece. Según como decrece Xm, la magnitud de la parte real

positiva de la raíz particular también decrecerá y finalmente se hace

cero para un valor específico de Xm. El voltaje terminal continúa su-

biendo en tanto la parte real de la raíz particular es positiva, deja

de hacerlo cuando la parte real llega a ser cero y la máquina está en

condición de respuesta estable [22].

Ya en respuesta estable, la parte imaginaria de la raíz particular da

la frecuencia de operación en p.u. F [24] (o transformación inversa de

la ecuación (3.18)). Este método de solución puede ser considerado 03

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- 78 -

mo la búsqueda de una "frecuencia compleja" y llevada al análisis de es^

tado estable .considerado [22].

3.5 CALCULO DE LA REACTANCIA DE MAGNETIZACIÓN Y DE LA FRECUENCIA DE

OPERACIÓN DE ESTADO ESTABLE

Para velocidad, capacitor de excitación, impedancia de carga y paráme-

tros de la máquina dados, la autoexcitación ocurrirá si alguna de las

raíces de la ecuación característica correspondiente tiene la parte real

positiva. El proceso físico por el cual el estado estable es alcanzado

por vía de la saturación magnética sugiere un procedimiento computacio^

nal, evitándose el análisis de la respuesta transitoria compleja. Este

procedimiento consiste de los siguientes pasos [22]:

a) Determinar las raíces de la ecuación característica. Inicialmente,

Xm es tomada para corresponder a condiciones de no saturación a fre_

cuencia nominal (medido).

b) Si es que hay una raíz particular con parte real positiva, recale^

lar las raíces para valores de xm,decreciendo!a en pasos convenien-

tes a partir de su valor no saturado.

c) Identificar el valor de xm que hace la parte real de la raíz parti_

cular igual a cero.

d) Usar el valor de la magnitud de la parte imaginaria de la raíz pajr

ticular para determinar la frecuencia de operación de estado esta -

ble.

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- 79 -

De esta forma se obtienen la reactancia de magnetización y la frecuen-

cia de operación de estado estable para dicha impedancia de carga.

Para el cálculo de las raices de la ecuación característica es necesa-

rio un método numérico para ecuaciones con coeficientes complejos (Apéji

dice B).

Como una ilustración numérica,la Tabla 3.1 dalas raíces calculadas yi,

y2 y ya de la ecuación (3.40) para valores dados de parámetros de la

máquina de inducción, velocidad, capacitor de excitación, carga resistj^

va y diferentes valores de xm. La reactancia de magnetización es decre

cida gradualmente desde el valor no saturado. Puede ser notado que S£

lo la raíz yi tiene la parte real positiva. Las raíces y2 y y3 caen en

el segundo y tercer cuadrantes, son aproximadamente complejas conjuga-

das y no son muy afectadas por la variación de xm. Como fue señalado

anteriormente, las partes reales negativas mayores implican componentes

de corriente las cuales desaparecen prontamente y por lo tanto juegan

sólo un papel menor en la operación de estado estable. La parte real

positiva de yi gradualmente decrece a medida que xm es reducida y se íia_

ce cero para xm = 76.04 ti. Para este valor de xm, la parte imaginaria

de la raíz, esto es 0.9618, representa la frecuencia de estado estable

en p.u. F [22].

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- 80 -

T A B L A 3 . 1

RAICES DE LA ECUACIÓN CARACTERÍSTICA (3.40) PARA DIFERENTES VALORES

DE xm Y o) = 1500 RPM, C = 49 yF y rL = lOOfi (MAQUINA B: rg = 3Í2 ,

r¿ = 3.4 í¡, xls = x-,; = 4.5 n [22])

x»( Q )

120

115

110

105

100

95

90

85

80

76.04.

yi

ai0.01540.01420.01290.01150.010.00830.006460.004390.002070.0000

• b i0.95870.9590.95930.95950.95990.960.96060.9610.96140.961»-

y a

a2

-0.763-0.762-0.7618-0.7612-0.7606-0.76-0.7595-0.7585-0.7576-0.756

b2

2.7442.7442.7452.7462.7472.7482.7492.7512.7522.754

y 3

as

-0.627-0.626-0.62o-0.626-0.626-0.626-0.625-0.625-0.625-0.624

b3

-2.702-2.703-2.704-2.705-2.706-2.707-2.708-2.71-2.713-2.72

3.6 CALCULO DE VOLTAJES, CORRIENTES, POTENCIAS. RENDIMIENTO Y DESLIZA -

MIENTO

3.6.1 CALCULO DEL VOLTAJE DE ENTREHIERRO

Habiendo determinado la frecuencia de operación en p.u.F y la reactan-

cia de magnetización xm de estado estable, el siguiente paso es el cálcu

lo del voltaje de entrehierro V (Fig. 3.1). Para este propósito usamosy

información referente a la variación de xm con Vq/F, la cual relaciona

al flujo en el entrehierro. La información requerida puede ser obtenj[

da experimeritalmente por el manejo de la máquina de inducción a velocj_

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- 81 -

dad sincrónica de la frecuencia nominal, y midiendo la reactancia de

netización para diferentes voltajes terminales a frecuencia de línea.

Una curva de Vq/F en función de xm puede ser trazada usando los resulta^

dos experimentales, a partir de ésta, Vg/F para xm de estado estable

puede ser obtenido y conocido F ya se puede calcular el voltaje de en-

trehierr.oVg [22].

3.6.1.1 Relación entre la Reactancia de Magnetización y el Voltaje de

Entrehierro

A fin de determinar la reactancia de magnetización xm a diferentes vol

tajes de entrehierro V , la máquina de inducción es manejada por una má_

quina motriz a velocidad sincrónica nominal y la impedancia de entrada

por fase es medida para diferentes voltajes terminales a frecuencia nc>

minal. Ya que es requerida la variación de xm con el flujo en el entre

hierro, proporcional a Vg/F, es necesario calcular el voltaje de entre-

hierro [22]. El circuito equivalente de la máquina de inducción por f£

se para este propósito, es decir cuando F = 1 y s = O, es representado

en la Fig. 3.3.

FIG. 3.3 Circuito equivalente por fase de la máquina de inducción

para F = 1 o s = 0.

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- 82 -

Del circuito de la Fig. 3.3 se obtienen las siguientes ecuaciones

v

Z = — = /rs2 -f (xls + xm)2 (3.45)m

despejando xm:

xm = /Z2 - r 2 - xu (3.46)

Por lo tanto:

Vg = xm . Im (3.47)

La Fig. 3.4 muestra los resultados experimentales relacionando Vg/F con

xm, donde xm es tomada como variable independiente para así poder cono^

cer Vg/F.

La variación de Vg/F con xm es no lineal debido a la saturación magnéti

ca. Para simplificar el análisis, la variación dentro de las regiones

de saturación y no saturación son lineal izadas usando rectas aproxima-

das (Recta 1 y Recta 2).

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- 83 -

VF cvn350-

300-

250-

200-

150-

100-

50-

0

xX

*,js RECTA 2

X /X

X

N

NxNv RECTA 1\ i*

\

\

1X

X x PUNTOS MEDIDOS 1X

APROXIMACIONES LINEALES ¿

X11 PUNT1 /' / VALO

1 1 1 1 9 ! *"

20 40 60 80 100 120 X

PUNTO DE CRUCE DE RECTAS

VALOR NO SATURADO DE Xm

FIG. 3.4 Variación de Vg/F con Xm por fase a frecuencia base(Máquina B [22])

Los datos que definen la relación entre xm y Vg/F y para el caso parti-

cular de la Fig. 3.4 son: .

RECTA 1:

RECTA 2:

PUNTO DE CRUCE DE RECTAS EN:

VALOR NO SATURADO DE xm:

Vg/F = PENDÍ.xm + CRUC1

Vg/F = PEND2.xm + CRUC2

xm = 100.0 íí

xm = 107.0 Sí

donde:

PENDÍ, PEND2: Pendientes de las rectas 1 y 2

CRUC1, CRUC2: valores de Vg/F cuando xm = 0. fi

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- 84 -

3.6.2 CALCyLO_DE_yARIABLES

Con Vg, xm, F, C, w, impedancia de carga y parámetros de la máquina co_

nocidos, el cálculo del voltaje terminal Vj., corriente de carga T. y

demás variables es directo usando el circuito equivalente de la Fig.

3.1. Expresiones para las respectivas variables son resumidas a conti[

nuación, donde en algunos casos son recuperados los propios valores de

voltajes, resistencias y reactancias que fueron afectados por la fre-

cuencia en p.u. F:

- -1 -F

I = (Con carga) (3.48)

. xcrs

Isr-^+ J >F

X

<1- - j — '3 F2

(En vacío) (3.49)

TI = f— (3.50)

Í- + JxTF-ü> r

T, = . (3.51)c

-j ~ + 2,F2 L

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- 85 -

Vt = ZL ' ll ' F (Con car9a) (3.52)

x _= (-J — ).(-!-).F (En vacío) (3.53)

F - us = (3.54)

Pent = VlOX • — + P Per

.|TL|'.,

R = - í- . 100 (3.57)

Pent

Q n = Pe-Mi I 2 • x i - F (Carga inductiva) (3.58)sa i s i_ L

^Qsa] = qs.|TL|2.— (Carga capacitiva) (3.59)

n = q . - (3.60)Mcon s v

xc •

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- 86 -

donde:

P : Potencia de pérdidas (rotacionales y en el hierro).

Q -, : Potencia reactiva de salida (en la carga).

Q : Potencia reactiva del capacitor de excitación C.\* \J 11

3.7 APLICACIONES DE LA MODELACIÓN DEL GENERADOR DE INDUCCIÓN AUTOEXCI-

TADO

3.7.1 CURVAS_CARACTERÍSTICAS

Para un mejor conocimiento del comportamiento del generador de induc-

ción autoexcitado, la principal función de su modelación es la obtejí

ción de las siguientes características:

1) Características de variación de la carga, a velocidad y capacitor

de excitación constantes. La forma de análisis para cargas inductj_

vas y capacitivas considera que la carga variable tiene el factor

de potencia constante a cualquier frecuencia de operación.

2) Características de variación de la velocidad, en vacío y capacitor

de excitación constante.

3) Características de variación del capacitor de excitación, en vacío

y velocidad constante.

3.7.2 PERpIDA_pE_EXCITACION_Y_Ng_AyTgEXCITACigN

La carga, velocidad y capacitor de excitación son factores variables y

externos a la máquina de inducción. Las curvas características del g 2

nerador de inducción autoexcitado son obtenidas mediante la variación

de uno de estos parámetros mientras permanecen constantes los otros dos.

La simulación del generador de inducción autoexcitado impone como limj_

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- 87 -

tante al valor no saturado de la reactancia de magnetización xm> por lo

tanto, según el ejemplo ilustrado en el apartado 3,5, habrán valores nrí

nimos de impedancia de carga, velocidad o capacitor de excitación, que

junto a este valor no saturado de la reactancia de magnetización, harán

directamente igual a cero a la parte real de la raíz particular de la

ecuación característica. Valores menores de estos parámetros harán que

todas las raíces tengan su parte real negativa, significando que la má_

quina ha perdido excitación.

La no autoexcitación se entiende cuando para dados valores de impedan -

cia de carga, velocidad, capacitor de excitación y valor no saturado de

la reactancia de magnetización, la ecuación característica respectiva

no tenga una sola raíz particular con parte real positiva. Este es un

paso previo a la obtención de las curvas características.

3.8 SIMULACIÓN DIGITAL Y DIAGRAMAS DE FLUJO

Como una aplicación a los-conceptos mencionados en anteriores apartados

de este capítulo, se ha desarrollado un programa digital para el cálo¿

lo de las variables de estado estable del generador de inducción autp_

excitado, y así obtener sus curvas características.

A continuación se describen las funciones y diagramas de flujo del pro_

grama principal y de sus subrutinas.

3.8.1 PROGRAMA_PRINCIPAL

El programa principal está encargado de:

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- Lee: los datos nominales (base), potencia de pérdidas, parámetros y

relación funcional entre la reactancia de magnetización y el volta-

je de entrehierro. Todos estos datos de la máquina son por fase a

frecuencia base.

- Lee: el tipo de estudio y número de curvas.

Para cada curva característica de variación de la carga:

- Lee: el número de puntos y los incrementos de impedancia de carga

respectivos.

- Lee: el tipo de carga, factor de potencia de la carga, capacitor de

excitación, velocidad y signo de impresión de gráficos. Los datos

del capacitor de excitación y velocidad se mantienen constantes a lo

largo del análisis.

- Para vacío, y con los datos de velocidad y capacitor de excitación,

comprueba si hay autoexcitación.

- Determina la mínima impedancia de carga antes de perder excitación

de la máquina.

- La mínima impedancia de carga constituye el primer punto de análisis,

y 28 puntos más se obtienen por medio de los datos de incrementos de

impedancia de carga. Cada punto se ajusta al factor de potencia.

- El punto número 30 es para vacío.

Para cada curva característica de variación de la velocidad en vacío:

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- 89 -

- Lee: el capacitor de excitación, máxima velocidad de estudio y signo

de impresión de gráficos. El dato del capacitor de excitación se

mantiene constante a lo laro del análisis.

- Con los datos de máxima velocidad y capacitor de excitación, compruei

ba si hay autoexcitación.

- Determina la mínima velocidad antes de perder excitación la máquina.

- La máxima velocidad constituye el primer punto de análisis, y 29 pun_

tos más se obtienen por :nedio de decrementos constantes hasta su va_

lor mínimo.

Para cada curva característica de variación del capacitor de excitación

en vacío:

- Lee: el máximo capacitor de excitación de estudio, velocidad y si£

no de impresión de gráficos. El dato de la velocidad se mantiene

constante a lo largo del análisis.

- Con los datos de velocidad y máximo capacitor de excitación, comprue_

ba si hay autoexcitación.

- Determina el mínimo cpacitor de excitación antes de perder excita-

ción la máquina.

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- 90 -

- El máximo capacitor de excitación constituye el primer punto de anjí

Tisis y 29 puntos más se obtienen por medio de decrementos constan-

tes hasta su valor mínimo.

Para todas las curvas características:

- Detecta errores en la introducción de datos.

- Todo cálculo,antes de establecerse resultados finales,útil iza valo-

res en p.u.

- Imprime títulos, datos de entrada y variables de salida en forma ta

bulada.

- Llama a las subrutinas MAGFRE, PUNTGR y FRAFIC.

- Lee el siguiente grupo de datos cuando no hay autoexcitación para

alguno de ellos.

3.8.2 SyBRUTINA_MAGFRE

Esta subrutina está encargada inicialmente de:

- Detecta la existencia de una sola raíz particular con parte real posj_

tiva cuando la reactancia de magnetización toma el valor no saturado

a frecuencia base. Esta función sirve para determinar la presencia o

no de autoexcitación.

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- 91 -

Luego, para cada punto de análisis:

- Detecta a la raíz particular con parte real positiva y hace que ^

da a cero disminuyendo la reactancia de magnetización desde su valor

no saturado.

- El valor final de reactancia de magnetización y la parte imaginaria

de la raíz particular correspondiente a la frecuencia de operación

en p.u. F,son los datos que sirven para el estudio de estado estable.

- Llama a las subrutinas COERAI y RAIPRI.

3.8.3 SUBRUTINA_COERAI

Esta subrut ina está encargada de:

- Determinar el grado, coeficientes y raíces de la ecuación caracterís-

tica de acuerdo al tipo de carga.

- Llama a las subrutinas COEFRL, COEFRC, COEFVA y RAÍZ.

3.8.4 S UB RUT I NAS_ COEFRL ,_COEFRC_y_ _ COEFVA

Estas subrut inas están encargadas de calcular los coeficientes de la e-

cuación característica de acuerdo al tipo de carga. Así, para carga rje

sistiva y carga resistiva-inductiva por medio de COEFRL, para carga re-

sistiva-capacitiva por medio de COEFRC y para vacío por medio de COEFVA.

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- 92 -

3.8.5 SUBRUTINA_RAIZ

Esta subrutina está encargada de:

- Calcular las raíces de la ecuación característica por medio del 'Mé-

todo del Descenso más Pronunciado1 descrito en el Apéndice B. Para

la presente tesis fue implementado el programa desarrollado por el

Ing. Efraín Del Pino, Profesor Principal de la Facultad de Ingeni£

ría Eléctrica de la E.P.N.

- Llama a las subrutinas f.SCAL y FUNC.

3.8.6 SUBRyTINA_ESCAL

Esta subrutina está encargada de:

- Modifica los coeficientes de la ecuación característica, haciendo que

el módulo del coeficiente del término independiente sea igual a 1.

- Recupera los coeficientes de la ecuación característica luego que se

ha encontrado una raíz de la ecuación característica modificada.

3.8.7 SyBRUTINA_FUNC .

Esta subrutina está encargada de:

- Calcula la parte real e imaginaria de la función f(z) = y(x,y)+jv(x,y)

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- 93 -

- Calcula la parte real e imaginaria de la función f'(z)=ui(x,y)+jvi(x,y)

- Calcula F = u2 + v2

3.8.8 SUBRUTINAJAIPRI

Esta subrutina está encargada de:

- Determina el número de raíces que tienen parte real positiva.

- Determina la ubicación, entre todas las raíces, de la raíz que tenga

parte real positiva.

3.8.9 SUBRyTINA_PyNTGR

Esta subrutina está encargada de:

- Almacena los datos calculados de las variables de estado estable pa^

ra su graficación.

- Llama a la subrutina POTVOL.

3.8.10 SyBRyTINA_POTVOL

Esta subrutina está encargada de:

- Transforma a forma compleja los parámetros de la máquina de inducción,

reactancia del capacitor de excitación e impedancia de carga.

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- 94 -

- Calcula las variables de estado estable a partir del circuito equiv¿

lente por fase a frecuencia base (Fig. 3.1).

3.8.11 SUBRyTINA_GRAFIC

Esta subrutina está encargada de:

- Determina los valores máximos y mínimos en cada eje.

- Ordena en forma ascendente los valores del eje 'X1.

- Llama a la subrutina GRALIM.

- Cambia los valores reales a puntos de graficación.

- Gráfica los ejes 'X' y 'Y' con sus respectivos puntos, escalas y tí-

tulos.

- Gráfica el resto de puntos.

3.8.12 SUBRUTINAJRALIM

Esta subrutina está encargada de transformar los valores máximo y mínj_

mo de cada eje a valores límites, múltiplos de cantidades conveniente -

mente escogidas.

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- 95 -

3.8.13 DIAGRAMAS DE FLUJO

PROGRAMA PRINCIPAL

c INICIO

' Leer:los datos nominales,potencia de pérdidas, p¿rámetros y relación en-tre Xm y Vg de la máquina de inducción por fase

WB = 120*FB/NP

SB = VB*CB/1000

ZB = VB/CB

IFAL = 0

Transformar datos de entrjida a valores en p.u.

XMNS = XM

Leer:tipo de estudio ynumero de curvas

i

NCUR = 0

IGRAFl = I/ \l = 3IGRAF1 =?^

IGRAFl = 1

© ©

Característicasde variación dela carga

Leer; incrementos dega y sus respectivos puntos

TLeer:tipo de carga, factorde potencia de la carga,capacitor de excitación,velocidad y signo de impre_sion de gráficos.

GZ = 0NCUR = NCUR +1

Determinar si hay autoexcjLtación para vacío:

XM = XMNSSubrutina MAGFRE

Determinar el valor mínimode impedancia de carga an.tes de perderse excitación

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- 96 -

GZ

Primer punto;

NPUNT = 1

Determinar el valor de Vgde acuerdo al valor de Xm

-»•{ K

Determinar las variablesde salida

Determinar las componentesreal e imaginaria de laimpedancia de carga

IMPRIMIR LAS VARIA-BLES DE SALIDA

Determinar Xm y F de operjacion estable:

XM = XMNS

Subrutina MAGFRE

IGRAF1 =1

Ajustar las partes real eimaginaria de la impedan-cia de carga, para obtenerel factor de potencia de-seado

NPUNT = NPUNT + 1

(XM/PENC)XM/PENC)

Determinar las componentesde la carga

Aumentar la impedancia decarga:

Z = Z + ZINC

Tomar otro valor de impedaricia de carga y saltarsecuando xm = PENC:

NPUNT = NPUNT - 1

Acondicionar la carga paravacío

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- 97 -

Características devariación de la velocidad en vacío

Leer: Capacitor de excitación, velocidad máxima ysigno de impresión de grjífieos

GW = 0NCUR = NCUR + 1

IDeterminar si hay autoexcitación para vacío con lavelocidad máxima:

W = VELMAX/WBXM = XMNS

Subrutina MAGFRE

NO

W = VELMAX/WB

Determinar el valor mínimode velocidades antes deperderse excitación.

SI•©

NO

VELMIN = GW

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- 98 -

Determinar los decrementosde velocidad:

PVEL = ((VELMAX/WB) -

VELMIN)/29.0001

Primer punto:

W = VELMAX/WBNPUNT = 1

Determinar xm y f de ope-ración estable:

XM = XMNS

Subrutina MAGFRE

NPUNT = NPUNT+ 1

Disminuir la velocidad:

W = W - PVEL

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- 99 -

Características devariación del capacitorde excitación en vacío

Leer: capacitor de excitación máximo, velocidady signo de impresión degráficos.

GC = 0NCUR = NCUR + 1

Determinar si hay autoexcjLtación para vacío con elcapacitor de excitaciónmáximo:

C = CAPMAXXM = XMNS

Subrutina MAGFRE

C = CAPMAX

JLDeterminar el valor mínimode capacitor de excitaciónantes de perderse excita -cion

SI

Determinar los decrementosde capacitor de excitación:

PCAP = (CAPMAX-CAPMIN)/29.0001

Primer punto:

C = CAPMAXNPUNT = 1

Determinar Xm y F de ope-ración estable:

XM = XMNS

Subrutina MAGFRE

NO

CAPMIN = GC

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- 100 -

NPUNT = NPUNT + 1

NO

Disminuir el capacitor deexcitación: c = c _ pcAp

Imprimir: "No hay auto

excitación"

IFAL = IFAL 1- 1

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- 101 -

SUBRUTINA MAGFRE

( I N I C I O J

E4 = 1.0E -0.5

Calcular los coeficientes >determinar la raíz con pajrte real positiva:

Subrutina COERAISubrutina RAIPRI

Tomar valores iniciales;

Y0MINXMMINXMR0EXMITER

Y (IDET)XMXMXM/10.

SIABS(

(XCÍ(IDET)) < E4?

ITER = ITER 4- 1

SI

XMR0 = XMR0 - EXM

Tomar otro valor de XM ycalcular las raíces:

XM = XMR0Subrutina COERAI

Y0MIN = Y0(IDET)XMMIN = XMRQJ

SIABS(X0(IDET)) < E4?

NO

\

©

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- 102 -

Valores de frecuencia yreactancia de magnetiza-ción de estado estable:

F = ABS (Y0MIN)XM = XMMIN

í RETORNO )

Decrementos de reactanciamás pequeños:

XMR0 = XMR0 + EXMEXM = EXM*0.8

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SUBRUTINA COERAI- 103 -

c INICIO

IRLC = 3

IRLC = 1

IRLC = 4

IRLC = 2

Carga R y R-LGrado de la Ec. caracteríatica: .

N = 4N0 = N

Calcular los coeficientes:Subrutina COEFRL

SI

NO

Carga R-L .Calcular las raíces:

Subrutina RAÍZ

IRLC = 3

RETORNO

Carga R-CGrado de la Ec. característica: ~

N = 4N0 = N

Calcular los coeficientesSubrutina COEFRC

Calcular las raíces:Subrutina RAÍZ

c RETORNO

Vacío

Grado de la Ec. característica:

N =N0 N

Calcular los coeficientesSubrutina COEFVA

Calcular las raíces:Subrutina RAÍZ

C RETORNO J>

Carga RGrado de la Ec. característica:

N = 3N0 = N

62

Cambiar de posición a loscoeficientes:

IM = I + 1A0(I) = A0(IM)B0(I) + B0(IM)

Calcular las raíces:Subrutina RAÍZ

C RETORNO

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- 104 -

SUBRUTINA COEFRL

c INICIO

Calcular los coeficientes de laecuación característica para carga

R y R-L

C RETORNO

SUBRUTINA COEFRC

C INICIO

Calcular los coeficientes de laecuación característica para carga

R-C

C RETORNO

SUBRUTINA COEFVA

C INICIO

Calcular los coeficientes de laecuación característica para

vacío

Ci.

RETORNO

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- 105 -

SUBRUTINA RAIPRI

c INICIO

IR = 0MR = 0

Número de raíces:MR = MR + 1

SI

SI

RETORNO

1Número de raícescon parte realpositiva o cero

IR = IR + 1

Identificar laubicación de laraíz particular

IDET = MR

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- 106 -

SUBRUTINA POTVOL

INICIO

Transformar a forma compleja los parámetros de la m£quina y capacitor de excita_ción

IRLC = 4

IRLC = 1Carga RTransformar a forma compleja los parámetros de lacarga

Calcular las variables envacío

'IRLC = 2

Carga R-LTransformar .a forma compleja los parámetros de lacarga

IRLC = 3Carga R-CTransformar a forma compleja los parámetros de lacarga

RETORNO

Calcular las variablesen carga

RETORNO

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C A P I T U L O I V

PARTEEPERIIENTAL Y

La máquina de inducción puede funcionar como generador de las siguien-

tes formas: acoplado a una barra infinita y aislado o autoexcitado.

De las dos formas de operación en estado estable, se realizan pruebas

en una máquina de inducción de rotor bobinado que será denominada como

máquina número 1, y en otra de rotor doble jaula que será denominada c£

mo máquina número 2. Estas pruebas, cuyos desarrollos y resultados son

presentados en este capítulo, permitirán comprobar los criterios teóri-

cos formulados anteriormente.

Complementariamente se comparan los resultados obtenidos por medio de

la simulación digital, con los resultados medidos de las máquinas de iji

ducción funcionando como generadores de inducción autoexcitados, además

de la presentación de otras características.

Para la simulación digital son necesarios determinados datos, tales OD

mo parámetros de las máquinas y relación entre la reactancia de magneti_

zación y el voltaje de entrehierro, valores que son obtenidos mediante

pruebas adicionales.

El equipo e instrumental utilizado en cada prueba será descrito en el

Apéndice C.

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- 108 -

4.1 PRUEBAS Y RESULTADOS DEL GENERADOR DE INDUCCIÓN AUTOEXCITADO

4.1.1 PRUEBASDELABORATORi

En el Laboratorio de Máquinas Eléctricas se armó un circuito, cuyo ^

grama de conexiones es indicado en la Fig. 4.1 y por medio del cual se

realizaron las pruebas del generador de inducción autoexcitado en va-

cío y en carga. Este circuito está compuesto básicamente de: la máqui-

na motriz, la máquina de inducción que va a funcionar como generador de

inducción autoexcitado, los capacitores de excitación, la carga y los

instrumentos de medición.

MAQUINA MAQUINAMOTRIZ DE INDUCCIÓN

CAPACITORESDE EXCITACIÓN

(ESTATOREN A)

CARGA

(EN A O Y)

FIG. 4.1 Diagrama de conexiones para las pruebas en la máquina de induc

ción funcionando como generador de inducción autoexcitado.

En la Fig. 4.1 son indicadas las siguientes variables que fueron medi-

das:

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- 109 -

n = Velocidad del rotor [RPM]

V. = Voltaje terminal de línea [V]

I = Corriente de estator de línea [A]

f = Frecuencia de operación [Hz]

P , = Potencia activa trifásica de salida o en la carga [W]

fp = Factor de potencia de la carga

I. = Corriente de carga de línea [A]

C = Capacitor de exctiación por fase [uF]

4.1.2 PRUEBASJARA_LA_DETERMINACigN_DE_PARAMETRgS_DE_LAS_MAQyiNAS_DE

INDUCCIÓN

La determinación de los parámetros de las máquinas de inducción se hi_

cieron mediante las pruebas normalizadas en vacío y a rotor bloqueado,

según las referencias [3] y [5].

En la Tabla 4.1 y Tabla 4.2 se presentan los resultados obtenidos para

cada máquina.

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- 110 -

TABLA 4.1 OBTENCIÓN DE PARÁMETROS

MAQUINA NUMERO 1

DATOS NOMINALES: 220/380 V 16.3/9.55 A 5.5 CV

60 Hz 4 polos 3 fases

- Prueba de C.C. para determinar la resistencia del estator rs:

DEVANADO

v [v]

I [A]

x-u

7.6

7.9

Y-V

7.6

7.9

Z-W

7.6

8.0

Potencia trifásica

Voltaje de línea

Corriente de línea

Velocidad :

PRUEBA DE VACIOA 60 Hz

125 W

220 V

5.9 A

1800 RPM

PRUEBA A ROTOR BLOQUEADOA 60 Hz

680 W

55 V

16.3 A

O RPM

PARÁMETROS DE LA MAQUINA DE INDUCCIÓN POR FASE:

= 0.958 íí

rl = 1.740 n.1r

xis = 2.627 SI

xi¿ = 2.627 fl

xm = 61.865 Sí

POTENCIA DE PERDIDAS POR FASE (Py + Pf(J):

Pper - 30.55 W

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- 111 -TABLA 4.2 OBTENCIÓN DE PARÁMETROS

MAQUINA NUMERO 2

DATOS NOMINALES: 220/380 V 7/4.04 A 2 CV

60 Hz 4 polos 3 fases

- PRUEBA DE C.C. PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA DEL ESTATOR r.

DEVANADO

V [V]

I [A]

x-u

6

3.4

Y-V

6

3.4

Z-W

6

3.4

Potencia trifásica

Voltaje de línea

Corriente de línea

Velocidad :

PRUEBA DE VACIOA 60 Hz:

105 U

220 V

4.3 A

1800 RPM

PRUEBA A ROTOR BLOQUEADOA 60 Hz:

215 W

45 V

7 A

O RPM

PARÁMETROS DE LA MAQUINA DE INDUCCIÓN POR FASE:

rs = 1.760.0

rj. = 3.089 n

X]S = 3.071 n

XT¿ = 7.165 O

x_ = 85.349 O

POTENCIA DE PERDIDAS POR FASE (Py + Pfe):

Pper - 24.15W

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- 112 -

4.1.3 PRUEBAS_PARA_LA_DETERMINA^

DE MAGNETIZACIÓN Y EL VOLTAJE DE ENTREHIERRO

La relación por fase entre la reactancia de magnetización x y el volt£

je entrehierro V , es obtenida manejando la máquina de inducción a velo^

cidad sincrónica nominal, luego se procede a variar el voltaje terminal

de frecuencia nominal. El voltaje terminal y la corriente de estator

son medidos, y mediante las ecuaciones (3.45), (3.46) y (3.47) se calcuV

la V y x por fase a frecuencia nominal. Luego se procede a graficar

estos puntos, y por medio de regresión se obtienen las relaciones fun-

cionales que los ajuste de mejor manera.

En la Tabla 4.3 y Fig. 4.2, Tabla 4.4 y Fig. 4.3 se indican los resulta^

dos obtenidos para cada máquina, y que se utilizan en la simulación dj_

gital.

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- 113 -

TABLA 4.3 OBTENCIÓN DE LA RELACIÓN ENTRE xm y V

MAQUINA NUMERO 1

VELOCIDAD: 1800 RPM

FRECUENCIA: 60 Hz

CONEXIÓN: A

puNT0s

1234567891011121314151617181920212223242526

VALORES MEDIDOS

Vt de línea[v]

20315061698189101110119131141152162172181201212219231241250261271280289

Is de línea

[A]

0.580.841.341.611.802.123.322.622.863.103.403.663.964.214.504.805.506.006.306.80•7.608.209.3010.2011.4012.70

VALORES CALCULADOS

xm por fase

[«]

57.97161.94962.30162.95763.71263.76063.78464.25464.03363.84764.20364.19163.74264.03363.52062.70960.57358.63757.53056.14452.26250.21845.96743.37339.91536.788

Vg por fase

[V]

19.1329.7447.9758.5566.2677.7985.4797.02105.65114.29125.84135.44145.97155.60165.15173.70192.62202.88209.41220.65229.43237.53246.84255.47262.64269.66

Linealización: - del punto 5 al punto 14 xm = 63.956 Q (promedio)

- del punto 14 al punto 20 RECTA 1 Vg = -7.76.xm + 657.69

- del punto 20 al punto 26 RECTA 2 Vg = -2.58.xm + 365.47

- punto de cruce de rectas en xm = 56.144 Q,

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- 114 -

TABLA 4.4 OBTENCIÓN DE LA RELACIÓN ENTRE x,t, Y V(

MAQUINA NUMERO 2

VELOCIDAD: 1800 RPM

FRECUENCIA: 60 Hz

CONEXIÓN: A

puNT0S

12345678910111213141516171819202122232425262728

VALORES MEDIDOS

Vt de línea[vj

19 . 5030.0041.0052.0056.0060.0064.00.68.0080.0090.0099.00110.00120.00

. 142.00151.00161.00170.00182.00191.00200.00211.00221.00232.00241.00249.00260.00270.00280.00

Is de línea[A]

0.270.410.550.700.740.800.850.90

. 1.081.231.361.551.722.062.252.452.62

'. 2.953.153.553.954.455.055.606.056.907.608.50

VALORES CALCULADOS

Xm por fase

M

118.791121.917125.042126.917127.150127.352127.529127.686125.949123.677122.233120.512118.128116.244113.070111.100109.498103.973101.85994.47489.45682.90376.36271.52168.25462.23258.40753.928

Vg por fase[V]

19.0129.2640.0150.7754.6758.5862.4966.4078.0987.8196.56107.26116.95138.33146.99156.65165.34176.75185.38193.67203.96213.06222.98231.01238.21247.68256.41264.79

Linealizacion: - del punto. 4 al punto 8 xm = 127.327 Q (promedio)

- del punto 8 al punto 17 RECTA 1: Vg = -5,47.xm+766.16

- del punto 17 al punto 28 RECTA 2: Vg = -1.71.xm+355.41

- punto de cruce de rectas en xm = 109.498 íí

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- 3

00

-

29

0-

28

0-

270-

260-

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•-..

.: 25

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24

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30-

Vg

cvn

FIG

.4.2

R

ELA

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30

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35

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38

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41

42

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46

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50

51

52

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54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

X

m C

fi 3

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---z

oo

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T:

260-

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.-180 170

-I60 150

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0

r 12

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so

i 80

-:-70 60 50 40 30 20

FIG

.4.3

R

ELA

CIÓ

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= 109.4

98

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766.

16

_

Xm

= 1

27.3

27 Q

(VAL

OR

NO

SA

TUR

AD

O)

52

54

56

58

60

62

64

66

68

70

72

T4

78

78

80

82

84

86

88

90

92

94

96

93

100

IOS

1041

06 I

OS 1

10

112

114

116

1)3 1

20 1

22 1

24 1

26 1

28 I

JO 1

32

134

136

138

140

:

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- 117 -

4.1.4 PROCEDIMIENTO

Para poner en marcha al generador de inducción autoexcitado es necesa -

ria la presencia de flujo remanente en el hierro de la máquina. Esta

condición se la cumplió haciéndoles funcionar por breves momentos como

motores a las máquinas de inducción. Luego, y en vacío, se procedió a

llevar a las máquinas a su velocidad sincrónica nominal de 1800 RPM, mi_

diéndose los siguientes voltajes terminales o voltajes remanentes: 0.7

V pico y 16.6 mseg. de período para la máquina número 1, y 3.0 V pico

y 16.6 mseg. de período para la máquina número 2. Los voltajes sinusoj_

dales no variaron apreciab!emente en magnitud con el aumento de la vel£

cidad, aunque si en su período.

Comprobada así la existencia del flujo remanente y para iniciar el prp_

ceso de autoexcitación en las máquinas, se siguieron los pasos dados en

la referencia [29], En vacío, y con los capacitores de excitación des^

conectados, se lleva a la máquina de inducción a la velocidad sincrónj_

ca nominal, luego se procede a conectar los capacitores, aumentando su

valor en los pasos disponibles en los bancos. La autoexcitación se ha_

ce presente cuando el voltaje terminal aumenta rápidamente y se estab^

liza en un determinado valor.

La velocidad sincrónica nominal sirve de referencia, pero la autoexcita_

ción se puede lograr en forma más rápida y con menos pasos de capacito-

res, si se lleva y mantiene la máquina a una velocidad superior. Para

este caso hay que tener presente que pueden provocarse sobrevoltajes y

sobrecorrientes.

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- 118 -

Conseguida así la autoexcitación, se procede a calibrar o variar la v<e

locidad, capacitor de excitación o carga, según la prueba a realizarse.

Los valores medidos de voltaje de línea, corriente de línea, potencia

activa trifásica y frecuencia, que posteriormente serán presentados, es^

tan en p.u. y tienen los siguientes valores base:

- Máquina número 1: 220 V, 16.3 A, 6211.13 VA, 60 Hz

- Máquina número 2: 220 V, 7 A, 2667.36 VA, 60 Hz

De esta forma se facilitará la comparación con los valores de simula-

ción.

4.1.5 CARACTERISTICASDEARIACIONDELAELOCIDADYDELCAPACITOR DE

Las pruebas para obtener las características de variación de la velocj_

dad en vacío se realizan manteniendo constante el valor del capacitor

de excitación, y desde un valor máximo, se procede a disminuir la velo-

cidad hasta que la máquina pierda excitación. Se ejecuta este procedi-

miento en cada máquina para dos diferentes valores de capacitor de exci

tación. Los resultados medidos están en las Tablas 4.5 y 4.6, y su re

presentación en los gráficos de simulación desde la Fig. 4.4 a la 4.13.

Las pruebas para obtener las características de variación del capacitor

de excitación se realizan manteniendo constante el valor de la veloci -

dad, y desde un valor máximo, se procede a disminuir el capacitor hasta

que la máquina pierda excitación. Se ejecuta este procedimiento en ca^

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- 119 -

da máquina para dos diferentes valores de velocidad.

Los resultados medidos están en las Tablas 4.7 y 4.8, y su representa-

ción en los gráficos de simulación desde la Fig. 4.14 a la 4.23.

Respecto al análisis del comportamiento de la máquina en vacío, tanto

en las características de variación de la velocidad como en las de va-

riación del capacitor de excitación, el voltaje terminal y la corriente

de estator crecen con el aumento de sus respectivas variables. Esto es

provocado por el cambio en el punto de trabajo a regiones de mayores voj_

tajes inducidos y corrientes de magnetización.

Aunque la magnitud del deslizamiento es baja para la condición de vacío,

esta crece con el aumento de la velocidad y del capacitor de excitación.

Al existir mayores corrientes, mayores pérdidas de potencia activa se

producen en los devanados, la cual es entregada al eje.

Relacionada al deslizamiento está la frecuencia, y según la ecuación

(2.1), ésta es proporcional a la velocidad si consideramos una magnitud

de deslizamiento baja. A velocidad constante, la variación del capaci-

tor de excitación no influye en su valor, pero por la variación del de£

lizamiento si puede ser afectada.

Cada curva característica tiene valores definidos de sus variables con

las que la máquina baja el voltaje terminal hasta la pérdida de excita_

ción. En las características de variación de la velocidad, si se aume£

ta el valor del capacitor de excitación que se mantiene constante durají

te el experimento, disminuye el valor de la velocidad con la quesepier^

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- 120 -

de excitación. Esta situación puede ser explicada con la ayuda de las

figuras 4.12 y 4.13; a una misma velocidad, hay mayores voltaje de en-

trehierro y corriente de magnetización para un valor mayor del capaci-

tor de excitación. Partiendo de esta última condición, para alcanzar

el punto de operación, en voltaje o corriente, de un menor valor de ca^

pacitor de excitación que se mantiene constante, se debe bajar la vel£

cidad. Igual explicación se tiene con las características de variación

del capacitor de excitación, donde a una mayor velocidad que es manten^

da constante durante el experimento, disminuye el valor del capacitor

con el que se pierde excitación (Figuras 4.22 y 4.23).

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TABLA

4.5

CARACTERÍSTICAS

DE VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD EN VACIO

MAQUINA NUMERO 1

CAPACITOR DE EXCITACIÓN = 52.78 uF/FASE

MAQUINA

NUME

RO 2

CAPACITOR

DE EXCITACIÓN

= 29.31 u

F/FASE

VELOCIDAD

[RPM]

1900

1860

1820

1780

1740

1700

1660

1620

1580

1540

1530

f

[p.u.]

1.055

1.032

1.007

0.985

0.962

0.940

0.917

0.893

0.870

0.847

\J

1.316

1.266

1.205

1.155

1.095

1.034

0.964

0.886

0.775

0.600

Ip.U.J

0.669

0.626

0.583

0.546

0.503

0.466

0.423

0.380

0.325

0.233

VELOCIDAD

[RPM]

1900

1860

1820

1780

1740

1700

1660

1620

1580

1540

1530

f

[p.u.]

1.055

1.033

1.012

0.988

0.967

0.945

0.922

0.900

0.878

0.855

Vt

..[p.u.]

1.077

1.032

0.982

0.927

0.877

0.818

0.750

0.682

0.586

0.377

!s[p.u.]

0.679

0.629

0.593

0.550

0.500

0.457

0.414

0.364

0.303

0.189

ro

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TABLA

4.6

CARACTERÍSTICAS

DE V

ARIA

CIÓN DE

LA VEL

OCID

AD E

N VA

CIO

MAQUINA

NUMERO 1

CAPACITOR

DE E

XCITACIÓN

= 55.70 uF/FASE

VELO

CIDA

D

[RPM]

1900

1860

1820

1780

1740

1700

1660

1620

1580

1540

1500

1490

f

[p.u.]

1.053

1.030

1.007

0.985

0.963

0.940

0.918

0.895

0.873

. 0.852

0.827

Vt

[p.u.]

1.355

1.298

1.239

1.191

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1.075

1.020

0.955

0.880

0.810

0.580

.[p.u5.]

00718

0.675

0.632

0.595

0.552

0.515

0.472

0.436

0.393

0.331

0.245

MAQUINA

NUMERO 2

CAPACITOR

DE EXCITACIÓN

= 34.70 uF/FASE

VELO

CIDAD

[RPM

]19

0018

60

1820

1780

1740

1700

1660

1620

1580

1540

1500

1460

1430

1420

f

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2

Vt

[p.u

.]

1.19

.11.

141

1.09

1

1.04

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0.98

6

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60.

886

0.83

60.

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4

0.64

1

0.52

7

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5

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0.88

60.

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0.77

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574

0.52

90.

484

0.43

0

0.37

9

0.30

3

0.22

1

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FIG. 4.4

Voltaje

Terminal = f

(Vel

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FIG. 4.5

Page 135: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

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FIG. 4.6

FIG. 4.7

Corriente de Estator =

f(Velocidad)

Page 136: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

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. 4.

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4.9

Page 137: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

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FIG. 4.11

Page 138: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

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FIG. 4.12

' FIG. 4.13

Voltaje de E

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de Magnetización)

Page 139: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

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1

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8

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2

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0.

0.94

3

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[p.u

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7

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4

1.03

4

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0.23

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NUME

RO

2

VELO

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1700

RPM

C

[üF/

FASE

]

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39.0

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36.1

6

34.7

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319

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[p.u

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8

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0.97

30.

936

0.90

9

0.81

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TABLA 4.8

CARACTERÍSTICAS

DE VARIACIÓN DEL CAPACITOR DE EXCITACIÓN

EN VACIO

MAQUINA

NUMERO 1

VELOCIDAD = 1800

RPM

MAQUINA

NUMERO 2

VELOCIDAD

= 1800

RPM

c[u

F/FA

SE]

57.4

9

55.7

054

.24

52.7

849

.18

47.3

9

45.9

3

44.4

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39.0

8

37.6

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0

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1.21

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2

1.12

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1.07

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1.00

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0.64

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0.62

60.

613

0.59

5

0.56

40.

509

0.47

2

0.45

40.

423

0.39

3

0.22

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_

C

[uF/

FASE

]

43.0

1

39.0

837

.62

36.1

634

.70

33.2

4

29.3

127

.85

26.3

9

24.9

.3

19.5

4

f

[p.u

.] .

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0

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0

1.00

0

1.00

0

1.00

0

1.00

0

1.00

0

1.00

01.

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0

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1

1.15

7

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095

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4

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1

0.95

9

.0.9

140.

873

0.80

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571

0.51

4

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Page 141: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

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Page 142: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

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RPM, EN VACIO

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FIG. 4.16

FIG. 4.17

Corriente

de Estator = f

(Capacitor de

Exc

itac

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Frecuencia

= f

(Capacitor d

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ción

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FIG. 4.19

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K

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VA

CIO

SIM

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CIÓ

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EX

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H'tN

TA

LE

S

B)

18O

O

kW

, E

N V

AC

IO

SIM

tJL

AC

lOH

co co

FIG. 4.20

Desl

izam

ient

o = f

(Capacitor de

Ex

cita

ción

)

FIG. 4.21

Page 145: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

MAQU

INA

NUME

RO l

A)

1?0

0

RJ'

H,

KN

V

AC

IO

SIM

UL

AC

IÓN

, «00

E

XP

FIP

IME

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ES

BJ

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O

RP

M,

Ktl

V

AC

IO

MA

QU

INA

H

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ERO

2

A)

1700

fl

PM

, £H

V

AC

IO

SIM

UL

AC

IÓN

, ••

• E

XP

KR

IMF

.KT

AIX

S

B)

1600

R

PM

, E

N V

AC

IO

SIM

UL

AC

IÓN

I

co -£»

FIG. 4.22

FIG. 4.23

Voltaje de

Entrehierro = f

(Corriente de

Mag

neti

zaci

ón)

Page 146: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 135 -

4.1.6 CARACTERISTICAS_EN_CARGA_Y_EFECTg_DE_LA_yELgCIDAD_Y_DEL_CAPACI:

!9R_9L§XCIT/\CION

Las pruebas para obtener las características en carga se realizan mante^

niendo constantes el capacitor de excitación y la velocidad, y desde va^

cío, se procede a aumentar la carga hasta que la máquina pierda excita-

ción. Se ejecuta este procedimiento en cada máquina para carga resistí^

va, inductiva y capacitiva, controlando que permanezcan constantes sus

respectivos factores de potencia. Los resultados medidos están desde

la Tabla 4.9 a la 4.11, y su representación en los gráficos de simula -

ción desde la Fig. 4.24 a la 4.47.

Las pruebas para determinar el efecto de la velocidad en las caracterís_

ticas en carga se realizan manteniendo constante el capacitor de excit£

ción para dos diferentes valores de velocidad. Se ejecuta este procedj_

miento en cada máquina para carga resistiva. Los resultados medidos es_

tan en las Tablas 4.12 y 4.13 y su representación en los gráficos de sj

mulación desde la Fig. 4.48 a la 4.55.

Las pruebas para determinar el efecto del capacitor de excitación en las

características en carga se realizan manteniendo constante la velocidad

para dos diferentes valores de capacitor de excitación. Se ejecuta es

te procedimiento en cada máquina para carga resistiva. Los resultados

medidos están en las Tablas 4.12 y la 4.14, y su representación en los

gráficos de simulación desde la Fig. 4.56 a la 4.63.

Con respecto al análisis de las características en carga y al efecto

del tipo de carga sobre éstas, la potencia activa de salida o de carga

Page 147: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 136 -

y la corriente de carga aumentan hasta cierto valor, para luego empezar

a disminuir. Para carga capacitiva se tiene mayor potencia activa de

salida, al ser la parte capacitiva de la carga, que junto al capacitor

excitación, mantienen o aumentan el voltaje terminal. Con carga resis-

tiva e inductiva, el voltaje terminal disminuye con el aumento delacar^

ga, debiéndose a que el capacitor de excitación proporciona totalmente

la potencia y corriente reactivas a la máquina y a la carga, (Figuras

4.32, 4.33, 4.44 y 4.45), disminuyendo la corriente de magnetización

I y el voltaje de entrehierro V .

Según las figuras 4.34, 4.35, 4.46 y 4.47, I y V disminuyen con el a

mentó de carga resistiva e inductiva excepto con la carga capacitiva que

partiendo de vacío, aumentan hasta cierto valor de carga, para luego em

pezar a disminuir, situación reflejada en el comportamiento del voltaje

terminal mencionado anteriormente.

La corriente de estator disminuye con la carga inductiva, se mantiene ca

si constante hasta cierto valor de carga resistiva para luego empezar a

disminuir, y aumenta hasta cierto valor de carga capacitiva para tam -

bien empezar a disminuir. Todas estas características son debidas a que

es determinada por la suma de las componentes resistiva de la carga y

reactiva de la máquina.

Para analizar el efecto de la variación de la velocidad y del capacitor

de excitación en las características en carga, sólo fueron realizadas

las pruebas de laboratorio con carga resistiva, debido a la variación

continua que fue posible obtener con esta carga. De esta forma, es cojí

siderada en primer lugar a la condición de vacío previamente analizada

Page 148: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 137 -

y que constituye el punto de partida de estas características. A una

misma potencia activa de salida, el aumento de la velocidad o del capa-

citor de excitación aumentan el voltaje terminal y la corriente de est£

tor.

La potencia activa de salida máxima también aumenta, debiéndose a que

se necesita una mayor carga para llegar al punto en el que el descenso

de voltaje terminal produzca el punto de retroceso.

Con respecto a la frecuencia de operación, su decrecimiento hasta cier-

ta potencia no es muy afectada por el tipo de carga, (Figuras 4.30,

4.31, 4.42 y 4.43), ni por la variación del capacitor de excitación, ptí

ro si por el cambio de la velocidad de la que depende proporcionalmente

en vacío (Figuras 4.54 y 4.55).

Las características en carga también tienen un punto con el cual pierde

excitación la máquina, dependiendo del tipo de carga, velocidad y capa^

citor de excitación. La carga inductiva acelera la pérdida de excita -

ción al demandar corriente reactiva.

Debido a limitaciones en la potencia de la máquina motriz, no fue posi-

ble obtener la corriente ni potencia nominales de la máquina número 1.

Para la máquina número 2, a 1950 RPM, un capacitor de excitación de 33.24

uF/FASE y con carga resistiva se obtuvo una potencia trifásica de salj_

da de 1670 W, una corriente estatórica de línea de 6.65 A, un voltaje

terminal de línea de 208 V y una frecuencia de operación de 63.2 Hz. Es_

ta potencia activa de salida es superior a la potencia nominal de la má

quina de 2 CV (1470 W) a pesar de trabajarse por debajo de los valores

nominales de voltaje terminal y corriente de estator.

Page 149: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

TABLA

4.9

CARACTERÍSTICAS

EN C

ARGA

MAQU

INA

NUME

RO 1

CAPACITOR

DE E

XCIT

ACIÓ

N: 49.18

uF/FASE

VELOCIDAD: 1900

RPM

CARG

A RESISTIVA

Psa

l[p

.u.]

0.00

00.

071

0.16

7

0.28

30.

322

0.36

4

0.39

00.

412

0.38

5

0.36

1

0.20

00.

138

!L[p

.u.]

0.00

00.

060

0.14

0

0.24

1

0.28

2

0.32

8

0.36

2

0.41

7

0.42

6

0.42

0

0.33

10.

272

's[p

.u.]

0.57

40.

571

0.57

1

0.58

30.

592

0.59

8

0.60

4

0.60

70.

586

0.57

4

0.43

30.

356

f[p

.u.]

' 1.

055

1.05

3

1.05

0

1.04

3

1.04

2

1.03

7

1.03

5

1.03

0

1.02

71.

025

1.02

31.

020

Vt

[p.u

.]

1.24

8

1.23

2

1.20

9

1.16

4

1.14

8

1.11

11.

075

0.99

50.

905

0.85

9

0.61

6

0.51

4

MAQU

INA

NUME

RO 2

CAPACITOR

DE EXCITACIÓN: 29.31 uF/FASE

VELOCIDAD: 1850

RPM

CARGA

RESI

STIV

A

Psa

l[p

.u.]

0.00

00.

109

0.15

0

0.18

0

0.25

1

0.28

90.

334

0.36

00.

319

0.28

1

0.25

90.

157

<L[p

.u.]

0.00

00.

107

o.i4

a0.

181

0.26

6

0.31

4

0.37

9

0.43

6

0.45

70.

436

0.42

90.

343

's[p

.u.]

0.62

90.

614

0.62

1

0.62

1

Q.6

2a

0.64

3

0.64

30.

657

0.61

4

0.57

1

0.54

30.

429

f

[p.u

.]

1.02

8

1.02

5

1.02

3

1.02

21.

018

1.01

5

1.01

0

1.00

71.

002

1.00

2

1.00

00.

998

Vt

[p.u

.]

1.03

2

1.00

9

1.00

0

0.98

2

0.95

00.

923

0.87

7

0.82

30.

700

0.64

5

0.60

90.

459

00 I

Page 150: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

TABLA 4.10

CARACTERÍSTICAS

EN C

ARGA

MAQUINA NUMERO 1

CAPACITOR

DE EXCITACIÓN: 49.18

uF/FASE

VELOCIDAD: 1900

RPM

CARGA

INDUCTIVA

(fp = 0.95)

Psa

l[p

.u.J

0.00

0

0.07

2

0.13

4

0.17

7

0.19

0

ll[p

.u.]

0.00

0 .

0.06

4

0.12

3

0.17

1

0.19

8

>s[p

.u.]

0.58

3

0.54

0

0.49

7

0.47

9

0.44

2

f

[p-u

.]

1.05

3

1.05

2

1.04

5

1.04

5

1.04

5

Vt

[p.u

.]

1.26

1

1.20

9

1.14

1

1.09

5.

1.00

7

MAQUINA

NUMERO 2

CAPACITOR

DE E

XCITACIÓN: 29.31

uF/FASE

VELOCIDAD: 1850

RPM

CARGA

INDUCTIVA

(fp

= 0.95)

Psa

l[p

.u.]

0.00

0

0.05

6

0.07

5

0.09

7

0.14

6

ll[p

.u.]

0.00

0

0.06

1

0.08

1

0.11

1

0.18

0

[P.u

.]

0.61

4

0.57

1

0.55

7

0.53

6

0.48

6

f

[p.u

.]

1.02

8

1.02

2

1.02

2

1.02

0

1.02

0

Vt

[p.u

.]

1.01

4

0.97

3

0.96

4

0.94

1

0.84

5

OJVO

Page 151: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

TABLA 4.11

CARACTERÍSTICAS

EN CARGA

MAQU

INA

NUME

RO 1

CAPACITOR DE

EXCITACIÓN: 49.18

uF/FASE

VELOCIDAD: 1900 RPM

CARG

A-CA

PACI

TIVA (fp

= 0.95)

rH [p.u.

J

0.00

00.

119

0.14

20.

242

0.26

10.

345

0.37

70.

473

0.49

90.

605

[p.u

J

0.00

00.

101

0.12

0

0.20

20.

215

0.28

50.

313

0.39

30.

414

0.49

9

[p.u

J

0.57

70.

620

0.62

60.

666

0.68

40.

721

0.74

20.

794

0.81

00.

871

f

[p.u

.].

1.05

51.

052

1.04

81.

045

1.04

51.

043

1.04

21.

038

1.03

81.

035

Vt

[p.u

.]

1.25

91.

264

1.26

61.

264

1.27

31.

273

1.27

31.

273

1.27

31.

273

MAQUINA

NUME

RO 2

CAPACITOR

DE EXCITACIÓN: 29.31 uF/FASE

VELOCIDAD: 1850

RPM

CARGA

CAPA

CITI

VA (fp = 0.97)

Psa

l.[

p.u.

]

0.00

00.

255

0.45

00.

525

0.61

50.

656

0.70

50.

724

0.71

20.

645

0.55

10.

472

V[p

.u.J

0.00

00,

260

0.46

90.

560

0.67

40.

721

0.80

00.

851

0.89

30.

893

0.84

30.

797

<s. .

[p.u

.].

0.62

10.

714

0.83

60.

886

0.95

71.

000

1.05

71.

093

1.08

61.

071

1.00

00.

929

f

.[p

.u.]

.

1.02

81.

017

1.00

71.

000

0.99

70.

993

0.98

80.

987

0.98

20.

975

0.97

20.

970

Vt

[p.u

.]

1.01

81.

014

0.99

10.

968

0.94

10.

936

0.90

50.

873

0.81

80.

745

0.67

30.

609

ja»O

Page 152: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

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SIM

UL

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, 00

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TALE

S

FIG. 4.24

FIG. 4.25

Voltaje

Terminal = f

(Potencia

Activa de Sa

lida

)

Page 153: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

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ALK

S

FIG. 4.26

FIG. 4.27

Voltaje

Terminal = f

(Corriente de

Carga )

Page 154: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

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E,

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AC

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FIG. 4.28

FIG. 4.29

Voltaje

Terminal = f

(Corriente

de Estator)

Page 155: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

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HAQUIHA NUMERO 2

¡

' .A) 1S50 RFM, 29.31 uF/FASE, CARGA RESISTIVA

SIMULACIÓN, •*• EXPERIMENTALES

B) 1650 RPM, 29.íl uF/FASK, CARGA INDUCTIVA

SIMULACIÓN, 000 EXPERIMENTALES

FIG. 4.30

Frecuencia = f

(Potencia

Activa d

e Sa

lida

)FIG. 4.31

Page 156: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

MiQ

OIH

A

HUM

ERO

1

, A

) 19

00 r

iPM

, l»

9.1

6

UF

/FA

SE

, CA

RQA

RE

SIST

IVA

SIM

UL

AC

IÓN

, ••

• E

XPL

RIH

KN

TA

!,ES

B)

1900

RPH

, í)

9.1

8

uF/F

AS

E,

CA

RC

A

IND

UC

TIV

A

(fp

-0.9

5)

SIM

ULA

CIÓ

N

í -

MA

QO

INA

KUHf

cRO

2

A)

1850

IIP

M,

29.3

1

uF

/FA

SE

, CA

RGA

RE

SIST

IVA

SIM

UL

AC

IÓN

, »

••

EXPE

RIM

ENTA

LES

8)

1850

R

HH

, 29.5

1

uF/F

AS

K,

CARO

A IN

DU

CT

IVA

(fp

.0.9

5)

SIM

ULA

CIÓ

N

s K: r 5

FIG. 4.32

FIG. 4.33

Potencia

del C

apacitor de

Excitación

= f (Potencia Activa de Sa

lida

)

Page 157: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

s I 2 yj S ut -» i

MA

QU

INA

HUM

ERO

1

.A) 1900

fíív., 1,9.18 UK/FASE,

CARG

A RESISTIVA

SIMULACIÓN, 6»« EXPtRIKKNTALES

B) 1900 RPH, ¡,9.18 uF/FASE, CARGA

INDUCTIVA (íp*0.95)

SIMULACIÓN

: á

O

"S

I MAQUINA NUHKRO 2

j ;

A) 1850 Kl'M, 29..51 uF/FASE, CARGA

RESTSTIVi

| ¡

SIMULACIÓN, ••• EXPERIMENTALES

B) 1850 KPM, 29.1 uF/FASK, CARGA

INDUCTIVA (fp«0.95)

SIMULACIÓN

©

en

FIG. 4.34

FIG. 4.35

Voltaje

de E

ntrehierro =

f (

Corriente

de M

agne

tiza

ción

)

Page 158: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

MA

QU

INA

UTO

ERO

1

A)

1900

R

ttf.

1,9

.18

uK

/FA

SE

, CA

ROA

RE

SIST

IVA

SIM

UL

AC

IÓN

, *

••

EXPE

RIM

ENTA

LES

B)

1900

R

PH,

í,9.1

8 u

F/F

AS

E,

CARG

A C

APA

CIT

IVA

(f

0.9

5)

SIM

ULA

CIÓ

N,

000

EX

PER

IME

NT

AL

ES

HA

QD

INA

NU

MER

O 2

A)

lb&

0 T

tm,

39.5

1 u

F/F

AS

E,

CA

RaA

R

ES

IST

IVA

SIM

UL

AC

IÓN

, ••

• E

XPE

RIM

EN

TA

LE

S

B)

1650

R

PM,

¿9.3

1 u

F/F

AS

E,

CA

IMA

CA

PAC

ITIV

A

(fp

=0

.97

)

SIM

UL

AC

IÓN

, 00

0 E

XPE

RIM

EN

TA

LE

S

FIG. 4.36

FIG. 4.37

Voltaje

Term

inal = f

(Potencia Ac

tiva de

Sali

da)

Page 159: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

MA

QU

INA

HC

HR

RO

1

i)

19O

O

RI«

, 1(9

.18

u

K/K

AS

R,

CA

Rfl

A H

ES

IST

IVA

SIM

UL

AC

IÓN

, •«

• E

XPE

RIM

EN

TA

LE

S

B)

1900

K

PM

, 1,9

.18

u

F/F

AS

E,

CA

RU

A

CA

PA

CIT

IVA

(f

0.9

5)

SIM

UL

AC

IÓN

, 00

0 E

XPE

RIM

EN

TA

LE

S

8

3

A)

B)

MA

QU

INA

N

'JMK

RO

2

A)

1650

K

PM,

£9

.il

uF

/FA

SE

, TA

KH

A H

KST

STIV

A

SIM

UL

AC

IÓN

, ••

• tX

l-K

SIM

niT

AL

iiS

B)

1850

I)

PM,

¿9.3

1

uK

/TA

SE

, C

AR

üA

CA

PA

CIT

IVA

(fp

*0

.9?)

SIM

UL

AC

IÓN

, 00

0 E

XPE

RIM

EN

TA

LE

S

-C»

CO

FIG

. 4.3

8Voltaje

Terminal

= f

(Corriente de Carga)

FIG. 4.39

Page 160: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

KÍ.Q

BINA

HUM

ERO

iA) 1900 fcl"H, 1,9.18 uF/FASE, C

ARGA

RESISTIVA

SIMULACIÓN, •»• EXPERIMENTALES

B) 1900 RPH, l»9.18 uK/FASE, CAHÜA CAPACITIVA (fp=0.95)

_ SIMULACIÓN, 000 EXPEIUMt:NTALES

MACH

INA

NUME

RO 2

| A

) 18

50 R

PH, Í

9..J

1 uF

/FAS

E, C

ARGA

RES

ISTI

VAi

SIM

UL

AC

IÓN

, »

»»

K

XrK

RIM

KN

TALK

S

i B

) 18

50

nm

. 29

.51

uF/K

AS

K,

CARO

A C

APA

CIT

IVA

(fp

.0.9

?)

| SI

MU

LA

CIÓ

N,

00

0 E

XPE

RIM

EN

TA

LE

S

FIG. 4.40

Voltaje

Term

inal = f

(Corriente d

e Estator)

FIG. 4.41

Page 161: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

o

S

HiQ

UIN

A

HUM

ERO

I

1)

1900

K

PH,

VJ.

18

uF

/PA

SB

, C

AR

QA

RE

SIST

IVA

SIM

UL

AC

IÓN

, ••

• EX

PER

IMEN

TALE

S

B)

1900

R

PH,

W.1

8

uF

/FA

SE

, CA

RGA

CA

PAC

ITIV

A

(fp

sO.9

5)

SIM

UL

AC

IÓN

, 00

0 E

XPE

RIM

EN

TA

LE

S

MA

QU

INA

NU

MER

O 3

: A

) i«

50

R

¡X,

29.3

1 uF

/FA

SE

, CA

RflA

R

ES

IST

IVA

! SI

MU

LA

CIÓ

N,

•••

F.X

PER

IMK

NTA

LKS

| B

) 18

50

RP

H,

¿9.3

1 u

F/F

AS

E,

CARG

A C

APA

CIT

IVA

(fp

=0

.9?)

¡ S

IMO

UC

ION

, 00

0 E

XPE

RIM

EN

TA

LE

S

en O

FIG

. 4.

42

Frecuencia =

f (Potencia Activa de

Sal

ida)

FIG. 4.43

Page 162: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

s w i *•» 3í'-

- s

MA

QU

INA

HOTF

.RO

1

A)

1900

R

1H,

Vi.18

U

K/F

AS

E,

CARC

tA

RE

SIST

IVA

SIM

UL

AC

IÓN

, «

••

EXPt

CR

IMEN

TAtE

S

B)

1900

R

PH,

1,9

.18

u

F/F

AS

E,

CARG

A

CA

PAC

ITIV

A

(fp

»0

.95

)

SIH

UU

C10

N

.

N

B)

\

JT

£

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A)

1850

K

I-M

, 29.3

1 u

F/F

AS

E,

1 |

I SI

MU

LA

CIÓ

N,

•••

EX

rS

i \

B)

1850

B

PH

, ¿9

.31

uF/F

ASE

,

SIM

UL

AC

IÓN

CAFW

A R

KSI

STIV

A

RIM

KN

TALK

S

CARG

A C

APA

CIT

IVA

(f

p^

O.9

7)

FIG

. 4.

44

Pote

ncia

del

C

apac

itor

de

Exc

itac

ión

= f

(Pot

enci

a A

ctiv

a de

Sal

ida)

Page 163: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

I i

Í H

AQ

Om

NU

HE.T

íO

1 '

S

;

I A

) 19

00

RP

H. 1

)9.1

6

uF/F

AS

E,

CARO

A R

ESI

STIV

A

'; ;

Í SI

MU

LA

CIÓ

N,

•••

EXPE

RIM

ENTA

LES

g B

) 19

00 r

iPM

, i»

9.i8

UF/

FASE

, CA

ROA

CAPA

CITI

VA

(fp«

o.95

)

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9

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1

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i

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• \

MAQ

UINA

HO

HERO

2

j A

) 16

50

RP

H, 29.3

1 u

K/F

AS

E,

CARO

A R

ES

IST

IVA

SIM

UL

AC

IÓN

, •»

• U

XrK

R1

i '

! B

) 18

50

RPM

, 29.3

1 u

F/F

AS

E,

CARG

A C

APA

CIT

IVA

(f

jwO

.97

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1 SI

MU

LA

CIÓ

N

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I u .?

0

I

. a. a

e

»IW

i*

«e o w

CJl ro

FIG. 4.46

FIG. 4.47

Voltaje de Entrehierro =

f (Corriente

de Magnetización)

Page 164: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

TABL

A 4

.12

CA

RACT

ERÍS

TICA

S EN

CAR

GA

MAQ

UINA

NUM

ERO

1

CAPA

CITO

R D

E EX

CITA

CIÓN

: 4

9.1

8 u

F/FA

SEVE

LOCI

DAD:

18

00 RP

M

CARG

A RE

SIST

IVA

Psa

l•[

P.u

.]

0.00

00.

031

0.07

70.

134

0.17

1

0.19

6

0.23

7

0.25

4

0.24

8

0.24

2

0.22

1

0.17

4

ll[p

.u.]

0.00

0

0.02

9 •

0.07

2

0.12

40.

164

.

0.19

0

0.24

1

0.28

8

0.29

1

0.29

4

0.28

8

0.26

4

rs[p

.u.]

0.48

5

0.47

9

0.47

9

0.47

20.

472

0.47

9

0.48

8

0.47

50.

469

0.46

3

0.43

3

0.38

0

f

[P.u

.] '

1.00

0

0.99

7

0.99

30.

992

0.98

8

0.98

8

0.98

5

0.98

00.

978

0.97

7

0.97

5

0.97

3

Vt

[p.u

.]

1.11

81.

105

1.08

4

1.05

2 .

1.03

9

1.02

5

0.97

3

0.89

3.

0.86

6

0.83

6

0.75

7

0.64

5

MAQ

UINA

NUM

ERO

2

CAPA

CITO

R D

E EX

CITA

CIÓN

: 33

.24

uF/F

ASE

VELO

CIDA

D:

1850

RPM

CARG

A RE

SIST

IVA

Psal

[p.u

.]

0.00

0

0.12

7

0.16

9

0.26

60.

300

0.34

1

0.44

6

0.46

90.

454

0.43

9

0.37

9

0.24

0

!L[p

.u.]

0.00

0

0.11

9-0.

160

0.25

70.

293

0.34

3

0.48

6

0.55

00.

564

0.56

9

0.55

0

0.45

7

[p.u

.]

0.77

1

0.75

7

0.75

0

Q.7

640.

764

0.77

1

0.80

0

0.80

70.

793

0.77

9

0.72

9

0.58

6

f

[p.u

.]

1.02

8

1.02

3

1.02

2

1.01

81.

015

1.01

2

1.00

5

1.00

00.

997

0.99

5

0.99

3

0.99

0

Vt

[p.u

.]

1.10

9

1.06

8

1.05

9

1.03

61.

023

0.99

5

0.91

8

0.85

0

0.80

50.

768

0.69

1

0.53

2

en OJ

Page 165: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

TABL

A 4.

13

CARA

CTER

ÍSTI

CAS

EN C

ARGA

. EF

ECTO

DE

LA V

ARIA

CIÓN

DE

LA V

ELOC

IDAD

MAQ

UINA

NUM

ERO

1

CAPA

CITO

R D

E EX

CITA

CIÓN

; 49

.18

uF/F

ASE

VELO

CIDA

D: 1

850

RPM

CARG

A RE

SIST

IVA

Psa

l[p

.u.]

0.00

0

0.06

4

0.10

6

0.18

70.

229

0.28

00.

324

0.34

1

0.32

0

0.27

4

0.21

7

0.19

2

ll[p

.u.]

0.00

0

0.05

6

0.09

4

0.16

9

0.20

9

0.26

4

0.31

3

0.35

3

0.35

80.

347

0.31

6

0.29

6

[p.u

5.]

0.53

4

0.52

5

0.52

1

0.52

10.

528

0.54

3

0.54

0

0.54

6

0.53

70.

494

0.44

2

0.40

2

f

[p.u

.]

1.02

7

1.02

2

1.02

0

1.01

7

1.01

7

1.01

3

1.01

01.

006

1.00

3.1

.000

0.99

7

0.99

5

Vt

[p.u

.]

1.18

6

1.16

1

1.15

0

1.12

3

1.10

0

1.06

4

1.02

7

0.97

70.

882

0.78

4.

0.68

2

0.63

4

MAQ

UINA

NUM

ERO

2

CAPA

CITO

R D

E EX

CITA

CIÓN

: 33

.24

uF/F

ASE

VELO

CIDA

D:

19.5

0 RP

M

CARG

A-

RESI

STIV

A

Psa

l[p

.u.]

0.00

0

0.15

70.

255

0.33

40.

435

0.52

1

0.58

10.

626

0.60

00.

547

0.45

0

0.33

4

JL[p

.u.]

0.00

0

0.13

3

0.21

9

0.28

6

0.38

4

0.47

7

0.55

4

0.66

1

o.ea

i0.

686

0.63

6

0.55

3

Jsfp

.u.]

0.90

70.

900

0.88

6

0.90

00.

900

0.92

1

0.92

9

0.95

00.

929.

0.89

-3

0.80

0

0.70

0

f

[P.u

.]

1.08

31.

082

1.07

5

1.07

5

1.06

8

1.06

71.

060

1.05

31.

047

1.04

5

1.04

0

1.04

0

Vt

[P-«

-]

1.23

6

1.20

9

1.17

7

1.16

8

1.13

2

1.09

1

1.04

50.

945

0.86

40.

800

0.69

5

0.59

1

en -P»

Page 166: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

MA

QU

INA

H

UM

ERO

1

A)

1600

K

m,

¿*9.1

8 X

lF/F

AS

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CA

RG

A

RE

SIS

TIV

A

SIM

UL

AC

IÓN

, ••

• E

XPE

RIM

KN

TA

LK

S

B)

1850

D

PM,

<|9

.1«

u

F/F

AS

K,

CA

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R

ES

IST

IVA

SIM

UL

AC

IÓN

, 00

0 E

XPE

RIM

EN

TA

LE

S

MA

QU

INA

K

IJM

KRO

3

A)

1850

K

PH

, 3

3.2

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K,

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IVA

SIM

UL

AC

IÓN

, ••

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LE

S

B)

1950

R

PH

, 33.¿

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uF

/KA

SE

, C

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R

ES

IST

IVA

SIM

UL

AC

IÓN

, 00

0 13

CPK

RIH

EN

TA

LE

S

tn oí

FIG. 4.48

.

FIG. 4.49

Voltaje

Terminal = f

(Potencia

Acti

va d

e Sa

lida

)

Page 167: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

MA

QU

INA

NU

MU

ÍO

1

A)

1800

PH,

1,9

.18

uF

/FA

SE

, C

AR

O*

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IVA

SIM

OU

CIO

N,

•••

EXPK

BIM

KN

TALK

S

B)

185O

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H,

l»9.1

«

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AS

K,

CARG

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SIM

UL

AC

IÓN

, 00

0 tX

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IMU

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S

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2

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1850

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3J.2

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CARG

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UL

AC

IÓN

, •»

• E

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LE

S

B)

19>0

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PM

, ^3.2

uF

/FA

SE

, CA

RGA

RE

SIS

TIV

A

SIM

UL

AC

IÓN

, 00

0 EX

tn

FIG. 4.50

FIG. 4.51

Voltaje

Terminal = f

(Corriente d

e Carga)

Page 168: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

MA

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MER

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9.18

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, CA

RGA

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AC

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B)

1850

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W.i

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SIM

UL

AC

IÓN

, 00

0

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QU

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2

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SIM

UL

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. ••

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B)

1950

H

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33.2

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. CA

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SIS

TIV

A

SIM

UL

AC

IÓN

, 00

0 tX

PER

IHF.

NT

AL

ES

en

FIS. 4.52

Voltaje Terminal = f (

Corriente de Estator)

FIG. 4.53

Page 169: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

MA

QU

INA

N

UM

ERO

1

A)

1800

R

PH

. 1,9

.18

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CA

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A

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SIS

TIV

A

SIM

UL

AC

IÓN

, ••

• F-

XPK

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TA

LK

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B)

1850

R

PM,

V5.1

B

uF

/FA

SK

, C

AR

QA

R

ES

IST

IVA

SIM

UL

AC

IÓN

, 00

0 E

XPE

RIM

EN

TA

LE

S

MA

QU

INA

V

ÜH

KR

O

2

A)

10

50

K

l-M

, 3

3.2

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K/F

AS

K,

CA

RG

A R

ES

IST

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SIM

UL

AC

IÓN

, ••

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TA

LE

S

B)

1950

R

PH

, 33

.21»

u

F/F

AS

E,

CA

A

RE

SIS

TIV

A

SIM

UL

AC

IÓN

, 00

0 E

XPE

RIM

EN

TA

LE

S

en 00

FIG. 4.54

FIG.. 4.55

Frecuencia =

f (Potencia

Act

iva

de S

alid

a)

Page 170: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

TABLA 4.14

CARACTERÍSTICAS

EN C

ARGA.

EFECTO DE L

A VA

RIAC

IÓN DEL

CAPACITOR

DE EXC

ITAC

IÓN

MAQU

INA

NUMERO 1

CAPACITOR DE

EXCITACIÓN: 54.24 uF/FASE

VELOCIDAD: 1800

RPM

CARGA

.RESISTIVA

'sal

[p.u

.]

0.00

00.

106

0.15

1

0.19

60.

254

0.29

00.

332

0.37

70.

357

0.28

0

0.22

2

0.15

1

ll[p

.u.]

0.00

0.

0.09

2.

0.13

2

0.17

50.

229

0.26

7

0.31

3

0.39

00.

411

0.37

7

0.34

7

0.28

8

rs[p

.u.]

0.57

4

0.57

10.

567

0.57

10.

577

0.58

3

0.59

20.

601

0.58

30.

521

0.47

2

0.38

0

f

[p.u

.]

1.00

0

0.99

50.

993

0.99

00.

987

0.98

3

0.98

20.

975

0.97

0

0.96

70.

967

0.96

5

Vt

[p.u

.]

1.19

51.

166

1.15

0

1.13

01.

107

1.09

1

1.05

7

0.96

40.

873

0.73

60.

636

0.54

5

MAQUINA

NUMERO 2

CAPACITOR

DE E

XCIT

ACIÓ

N: 36.16

uF/FASE

VELOCIDAD: 1850 RPM

CARGA'.

RESI

STIV

A

Psa

1.[

p.u

.]

0.00

00.

142

0.19

1

0.29

20.

390

0.46

5

0.54

00.

577

0.53

2

0.46

9

0.40

1

0.30

0

JL[p

.u.]

0.00

00.

127

0.16

9

0.26

70.

364

0.45

00.

551

0.62

90.

674

0.65

00.

614

0.54

3

's[p

.u.]

0.87

90.

871

0.87

1

0.87

10.

879

0.88

6

0.90

70.

914

0.88

60.

829.

0.77

1

0.67

1

f

[p.u

.]

1.02

81.

025

1.02

3

1.01

8.

1.01

5

1.01

2

1.00

31.

000

0.99

3

. 0.

988

0.98

7

0.98

5

Vt

[p.u

.]

1.16

4

1.14

11.

127

1.10

01.

068

1.03

6

0.97

70.

918

0.79

1

0.71

8

0.65

0

0.55

0

en 10

Page 171: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

MAQUINA NUMERO 1

A) 1800 BPH, (*9.18 UF/FASE, CARQA RESISTIVA

SIMULACIÓN, •*• EXPERIMENTALES

B) 1800 IU*, 51».2/( UF/FASB, CARGA RESISTIVA

SIHDUICION, 000 EXPERIMENTALES

MAQUINA

NUMERO a

A)

1850

«P

M,

33.2

4

uF

/FA

SE

, C

A^A

R

ESI

STIV

A

SIM

UL

AC

IÓN

, ••

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LE

S

B)

1850

R

PM,

36.1

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AS

E,

CA

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A R

ESI

STIV

A

SIM

UL

AC

IÓN

, 00

0 E

XPE

RIM

EN

TA

LE

S

en O

FIG. 4.56

FIG. 4,57

Voltaje

Terminal = f

(Potencia

Acti

va de Sa

lida

)

Page 172: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

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A

SIM

UL

AC

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1800

R

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SIM

UL

AC

IÓN

, 00

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TA

LK

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N

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2

A)

1850

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, 3.J

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CA

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R

ES

IST

IVA

SIM

OL

AC

IOfl

, ••

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RIM

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LE

S

B)

1850

R

PM

, 36.

16

uF

/FA

SE

, CA

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R

KST

STIV

A

SIH

UL

AC

IOK

. 00

0 E

XP

KR

IKK

NT

AL

tS

FIG. 4.53

FIG. 4.59

Voltaje

Terminal = f

(Corriente d

e Carga)

Page 173: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

MAQUINA NUMERO 1

A) 1600 RPM, 1,9.18 uF/FASE, CARGA HESISTIVA

SIMULACIÓN, ««• EXPERIMENTALES

B) 1800 RPM, ^,2tt uF/FASE, CANOA RESISTIVA

SIMULACIÓN, 000 EX I'KR I MENTALES

MAQUINA NUMERO 2

A)

1850

R

PM

, }}.

2¡i

u

F/F

AS

K,

CA

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R

ES

IST

IVA

SIM

UL

AC

IÓN

, ••

• E

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RIM

EN

TA

LE

S

B)

1850

R

PM

, 36-1

6

uF

/FA

SE

, C

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A R

ES

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IVA

SIM

UL

AC

IÓN

, 00

0 E

XPK

RIM

KN

TA

LE

S

CT>

ro

FIG

. 4

.60

Vol

taje

Ter

min

al

= f

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rrie

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de

Est

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)

FIG

. 4.

61

Page 174: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

MA

QU

INA

H

UM

ERO

1

A)

1800

R

PH

, 1*

9.18

U

F/F

AS

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CA

RG

A R

ES

IST

IVA

SIM

UL

AC

IÓN

, ••

*

EX

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NT

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B)

1800

R

PM,

5J».

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, C

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SIM

UL

AC

IÓN

, 0

00

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NT

AL

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1850

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PH

, 35.3

4

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/FA

SE

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CIO

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«»«

EX

PKR

IML

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AL

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) 18

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RP

M,

36.1

6 u

F/F

AS

E,

CA

KG

A 8K

SIS

TIV

A

SIM

OU

CIO

H,

00

0 E

XPK

filM

!ÁT

AL

ES

co

FIG

. 4.

62

Frecuencia =

f (

Potencia

Act

iva

de S

alid

a)

FIG. 4.63

Page 175: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 164 -

4.1.7 ANALISIS_DEL_ygLTAJE_TERMINAL_Y_FRECUENCIA_DE_gPERACigN

Previo a obtener la autoexcitación de la máquina, el voltaje inducido

por el campo magnético remanente es de tipo sinusoidal, forma dada por

la distribución y bobinado de los devanados del estator y rotor. Este

voltaje remanente sinusoidal, aumenta y determina su magnitud y frecuen^

cia cuando la máquina se autoexcita y alcanza su estado estable. Es el

capacitor de excitación y la velocidad el elemento que refuerza y man -

tiene el campo magnético.

Fueron tomadas las fotografías 1 y 2 en la máquina número 1, en las que

se aprecia que el voltaje terminal es de tipo sinusoidal de amplitud

constante en vacío, la frecuencia de operación es proporcional a la ve¡

locidad, y con carga, el voltaje terminal y la frecuencia disminuyen.

Características similares fueron observadas con la máquina número 2.

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- 165 -

FOTOGRAFÍA 1Vt en vacío

MAQUINA NUMERO 1: 260V, 61.7 Hz, 1850 RPM, 49.18 uF/faseESCALAS: V = 100 V/división, H = 5 mseg/división

FOTOGRAFÍA 2 • ~Vt con carga resistiva

MAQUINA NUMERO 1: 231 V, 60.6 Hz, 1720 W, 1850 RPM, 49.18 uF/faseESCALAS: V = 100 V/división, H = 5 mseg/división

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- 166 -

4.1.8 CgMPARACION_DE_RESULTADgS

Lo> resultados obtenidos por medio de la simulación se comparan con los

resultados obtenidos en las pruebas de laboratorio.

En vacío se toman los valores de máximo capacitor de excitación, máxi-

ma velocidad y sus últimos valores medidos que posibiliten una compara_

ción.

Debido a la forma de las curvas características, en carga se ha tomado

como referencia a la potencia activa de salida, y particularmente a su

valor máximo, o a su.vez al último valor medido para curvas caracterís-

ticas incompletas.

Los valores medidos se comparan con los valores correspondientes de sj_

mulación,ya sea directamente o por interpolación lineal.

Se calculan los valores absolutos de los errores relativos respecto a

los valores medidos, siendo estos presentados en las Tablas 4.15, 4.16,

4.17 y 4.18.

Los errores presentados se deben a factores que se enuncian a continua-

ción:

En el circuito equivalente utilizado en el análisis matemático no

toma en cuenta a las pérdidas en el hierro y por lo tanto su no i ni

clusión como una rama resistiva en paralelo con la reactancia de

magnetización x .

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- 167 -

La relación entre el voltaje de entrehierro Vg y la reactancia de

magnetización xm es lineal izada por medio de dos rectas las cuales

tratan de ajustarse de la mejor forma a la verdadera curva que re

presentan.

La linealización anteriormente mencionada involucra también el e

cogitamiento de un valor máximo o no saturado de la reactancia de

magnetización, lo que significa que no se toman en cuenta otros

puntos, tal como se nota en las figuras 4.2 y 4.3.

El margen de error introducido en la medición y cálculo de los DJS

rámetros de la máquina de inducción, los cuales son dependientes

del método utilizado. Con respecto a este último factor, es noto

ria la influencia de la temperatura sobre los valores medidos de

potencia trifásica en las pruebas de rotor bloqueado y en vacío.

Los valores de los capacitores de excitación son promedios, debido

a que la medición individual de cada paso dio diferentes valores,

próximos a sus valores de placa.

La dificultad de la toma de medidas cuando las máquinas comienzan

a perder excitación, ya que siendo una condición inestable, los

instrumentos oscilan.

En la pérdida de excitación es notoria la diferencia de valores de

capacitor de excitación, velocidad y carga que provocan la misma.

Mientras en la máquina número 1 (rotor bobinado) son obtenidos me

ñores valores medidos de estas variables con respecto a los valo-

Page 179: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 168 -

res calculados, en la máquina número 2 (rotor doble jaula) sucede

lo contrario. Esto es debido a que siendo máquinas diferentes,sus

curvas que relacionan al voltaje de entrehierro Vg con la reactan-

cia de magnetización Xm, también lo son.

Teniédose presente que la reactancia de magnetización es igual a

la tangente en cada punto de la función Vg = f (Im) y según las fi_

guras 4.2 y 4.4, en la máquina número 1 es apreciable la existen -

cia de varios valores de xn1 que determinan una verdadera región de

no saturación; no sucede así con la máquina número 2, que tiene p£

eos valores de Xm que definan a dicha región como una recta, sino

como una curva de la cual se ha tomado el mayor valor de la tangen^

te.

En el apartado 2.4.3 se formula la ecuación (2.7) para el cálculo

del capacitor mínimo de excitación a la frecuencia de operación.

Reemplazando en esta ecuación los correspondientes valores de x

y xis en la región de no saturación, y suponiendo que estos par£

metros son proporcionales a la frecuencia de operación, se obtie-

nen los valores de capacitores mínimos de excitación el la Tabla

4.19.

Existe una gran aproximación entre los valores de simulación y cal_

culados. Los valores medidos son los últimos valores de capacito

res antes de perderse excitación y también existe una aproximación

con los anteriores valores, aunque en el laboratorio se está suje_

to a que la variación de los capacitores de excitación sea en pa-

sos discretos.

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- 169 -

TABLA 4.15 ERRORES PARA LAS CARACTERÍSTICAS DE VARIACIÓN DE LA VELOCI-

DAD EN VACIO

MAQUINA NUMERO

c [UF /FASE]VELOCIDAD [RPM]

f

[P.u.]

| ERROR) [ % ]

Vt

[p.uj

| ERROR) [%J

ls[P.u.]

(ERROR) [%]

MEDIDO

CALCULADO

MEDIDO

CALCULADO

MEDIDO

CALCULADO

1

52.78

1900

1.055

1.055

0.00

1.316

1.301

1.14

0.669

0.638

4.63

1

52.73

1580

0.870

0.877

0.82

0.775

0.711

8.26

0.325

0.290

10.77

1

55.70

1900

1.53

1.055

0.19

1.355

1.336

1.40

0.718

0.692

3.62

1

55.70

1540

0.852

0.855

0.341

0.810

0.699

13.71

0.331

0.293

11.43

MAQUINA NUMERO

c [UF /FASE]VELOCIDAD [RPM]

f[p.u.J

MEDIDO

CALCULADO

| ERROR) W

Vt

[p.u.J

MEDIDO

CALCULADO

| ERROR) [%]

ls[p.uj

MEDIDO

CALCULADO

| E R R O R ) [%]

2

29.31

1900

1.055

1.055

0.00

1.077

1.103

2.41

0.679

0.700

3.09

2

29.31

1540

0.855

0.855

0.00

0.377

0.421

11.67

0.189

0.217

14.81

2

34.70

1900

1.055

1.054

0.09

1.191

1.219

2.35

0.886

0.915

3.27

2

34.70

1430

0.792

0.794

0.25

0.405

0.443

9.38

0.221

0.251

13.57

Page 181: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 170 -

TABLA 4.16 ERRORES PARA LAS CARACTERÍSTICAS DE VARIACIÓN DEL CAPACITOR

DE EXCITACIÓN EN VACIO

MAQUINA NUMERO

VELOCIDAD [RPM]

C [uF /FASE]

f

fp .u . J

MEDIDO

CALCULADO

| ERROR) [%]

Vt

[p.u.]

MEDIDO

CALCULADO

( E R R O R ) [«]

ls

[p.u.J

MEDIDO

CALCULADO

(ERROR) [%]

1

1700

57.49

0.942

0.944

0.21

1.077

1.078

0.09

0.528

0.515

2.46

1

1700

45.93

0.940

0.944

0.43

0.850

0.783

7.88

0.337

0.299

11.28

1

1800

57.49

1.000

0.999

0.10

1.220

1.218

C.16

0.626

0.616

1.60

1

1800

43.01

0.998

1.000

0.20

1.002

0.944

5.80

0.393

0.358

8.91

MAQUINA NUMERO

VELOCIDAD [RPM]

c [UF /FASE]f[p.u.]

MEDIDO

CALCULADO

( E R R O R ) [%]

Vt

f p . u j

MEDIDO

CALCULADO

| ERROR) [%]

's

[p.u.]

MEDIDO

CALCULADO

| ERROR | [%]

2

1700

43.01

0.945

0.943

0.21

1.068

1.085

1.59

0.886

0.904

2.03

2

1700

24.93

0.945

0.944

0.11

0.573

0.570

0.50

0.279

0.276

1.19

2

1800

43.01

1.000

0.998

0.20

1.191

1.216

2.10

1.057

1.072

1.42

2

1800

24.93

1.000

1.000

0.00

0.805

0.835

3.69

0.414

0.427

3.10

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- 171 -

TABLA 4.17 ERRORES EN LAS CARACTERÍSTICAS EN CARGA

M A Q U I N A NUMERO

C [uF /FASE]

VELOCIDAD [RPM]

fp (CARGA)

psalmáx

[p.u.]

M E D I D O

CALCULADO

| ERROR) %

Vsalmáx)

[p.u.]

MEDIDO

CALCULADO

| E R R O R ) [%]

s s a^máx[p.u.J

MEDIDO

CALCULADO

| ERROR) [%]

^salmáx)[p.u.]

MEDIDO

CALCULADO

| ERROR) [%]

Vt("sa,máx>

[p.u.]

MEDIDO

CALCULADO

( E R R O R ) [35]

1

49.18

1900

1

0.412

0.447

8.50

0.417

0.428

2.64

0.607

0.630

3.79

1.030

1.021

0.87

0.995

1.043

4.82

1

49.18

1900

0.95(atr .)

0.190

0.19_ _

0.198

0.183

7.58

0.442

0.473

7.01

1.045

1.041

0.38

1.007

1.099

9.14

1

49.18

1900

0.95(adel.)

0.605

0.605

—0.499

0.509

2.00

0.871

0.86.1

1.15

1.035

1.022

1.26

1.273

1.251

1.73

2

29.31

1850

1

0.360

0.378

5.00

0.436

0.483

10.78

0.657

0.672

2.28

1.007

0.991

1.59

0.823

0.784

4.74

2

29.31

1850

0.95(atr.)

0.146

0.146

—0.180

0.170

5.56

0.486

0.525

8.02

1.020

1.017

0.29

0.845

0.904

6.98

2

29.31

1850

0.97(adel.)

0.724

0.755

4.28

0.851

0.886

4.11

1.093

1.125

2.93

0.987

0.969

1.82

0.873

0.878

0.57

Page 183: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 172 -

TABLA 4.18 ERRORES EN LAS CARACTERÍSTICAS EN CARGA. EFECTO DE LA VA-

RIACIÓN DE LA VELOCIDAD Y CAPACITOR DE EXCITACIÓN

MAQUINA NUMERO

C [uF /FASE]

VELOCIDAD [RPM]

fp (CARGA)

Psalmáx[p.u.]

MEDIDO

CALCULADO

| ERROR | [%]

L salmáx[p.u.]

MEDIDO

CALCULADO

| ERROR | [%]

's salfp.u.J

MEDIDO

CALCULADO

ERROR [%]

f^almáx)

[p.u.]

MEDIDO

CALCULADO

| ERROR) [%]

^J[P.u.]

MEDIDO

CALCULADO

| ERROR] [%]

1

49.18

1800

1

0.254

0.260

2.36

0.288

0.282

2.08

0.475

0.481

1.25

0.980

0.975

0.51

0.893

0.921

3.14

1

54.24

1800

1

0.377

0.400

6.10

0.390

0.405

3.85

0.601

0.610

1.50

0.975

0.967

0.82

0.964

0.987

2.39

1

49.18

1850

1

0.341

0.351

2.93

0.353

0.345

2.27

0.546

0.560

2.56

1.006

1.000

0.60

0.977

1.017

4.09

2

33.24

1850

1

0.469

0.506

7.89

0.550

0.585

6.36

0.807

0.826

2.35

1.000

0.9.87

1.30

0.850

0.866

1.88

2

36.16

1850

1

0.577

0.602

4.33

0.629

0.660

4.93

0.914

0.938

2.63

1.000

0.984

1.60

0.918

0.912

0.65

2

33.24

1950

1

0.626

0.675

7.83

0.661

0.694

4.99

0.950

0.978

2.95

1.053

1.037

1.52

0.945

0.972

2.86

Page 184: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 173 -

TABLA 4.19 CAPACITOR MÍNIMO DE EXCITACIÓN

MAQUINA NUMERO

VELOCIDAD [RPM]

FRECUENCIA [Hz]

(*m + xis)0.B MC mínimo [uF]/FASE

(SIMULACIÓN)

C mínimo [uF]/FASE

(CALCULADO)

C mínimo [uF] /FASE

(MEDIDO)

1

1700

56.67

62.888

44.72

44.66

43.01

1

1800. .

60.00

66.583

39.88

39.84

39.08

2

1700

56.67

123.161

22.83

22.80

24.93

2

1800

60.00

130.398

20.36

20.34

24.93

4.1.9 ANALISIS_DE_RENDIMIENTO_Y_DESLIZAMIENjg

El rendimiento del generador de inducción autoexcitado será solamente

estudiado a partir de los resultados obtenidos por medio de la simula-

ción digital, ya que en el laboratorio no fue posible obtener los da-

tos necesarios para poder calcularlo, tal como es el torque mecánico.

En forma similar se hará con el deslizamiento, del cual se obtienen va_

lores más precisos con la simulación digital.

En la simulación digital se introduce como dato de entrada a la poten_

cía de pérdidas por fase, potencia calculada a partir de los datos de

la prueba de vacío para encontrar los parámetros de la máquina de in-

ducción. La potencia de pérdidas, suma de las pérdidas de rotación y

en el núcleo, es introducida para dar un mayor significado a] cálculo

del rendimiento, además es considerada constante y por su bajo valor

Page 185: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 174 -

respecto a la potencia nominal de la máquina, puede no tomarse en cuen

ta.

Al igual que el voltaje terminal, corriente de estator, frecuencia, etc.,

el rendimiento del generador de inducción autoexcitado es influenciado

por factores como el tipo de carga (Figuras 4.64, 4.65, 4.66 y 4.67),

velocidad (Figuras 4.68 y 4.69) y capacitor de excitación (Figuras 4.70

y 4.71).

El valor del rendimiento aumenta desde cero, y con una magnitud de

lizamiento baja, a un valor máximo con el aumento de la potencia activa

de salida. El progresivo aumento de la carga lleva a la máquina a di:s

minuir su rendimiento.

La forma de la curva característica del rendimiento en función de la pp_

tencia activa de salida es similar en todas las máquinas convertidores

de energía, aunque con el generador de inducción autoexcitado se inclu-

ye el fenómeno de retroceso en la potencia activa de salida.

Respecto a la influencia de los factores anteriormente mencionados, una

mayor potencia activa de salida máxima se obtiene con cargas capaciti-

vas respecto a las resistivas, con cargas resistivas respecto a las ir^

ductivas. A mayor velocidad y a mayor capacitor de excitación, pero pa_

ra una misma potencia activa de salida, estas mismas características

tienen menor rendimiento; esto es porque los mayores voltajes inducido

y terminal conseguidos, producen mayores corrientes y pérdidas en los

devanados.

Page 186: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 175 -

La magnitud del deslizamiento siempre crece con el aumento de la carga,

pero es relativamente pequeña, lo que implica tener también valores aj_

tos de rendimiento, y un descenso no muy pronunciado de la frecuencia

(Figuras 4.72 a 4.79).

A continuación se presentan las curvas de rendimiento y deslizamiento

en función de la potencia activa de salida, con diferentes tipos de caír

ga, velocidades y capacitores de excitación.

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- 176 -

o)5aLUCE

MAQUINA NUMERO 1

A) 1900 RPM, It9.lñ UK/FASE, CAI10A RESISTIVA

SIMULACIÓN, •»• EXPERIMENTALES

B) 1900 RPM, i(9.18 UF/KASE, CAROA INDUCTIVA ( fp^O.95)

SIMULACIÓN

»<a

o•VIo

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-3 >-a o

FIG. 4.64 Rendimiento = f (Potencia Activa de Salida)

Page 188: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 177 -

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MAQUINA HUMttftO 2

A) 1050 HPM, 29.31 uf/FASE, CAHCU RESISTIVA

SIMULACIÓN, M« BXPEaiMEMTALES

¡ B) 1850 RPM, Z9.H uf/KASi:, CARGA

i1

SIMOUCION•

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FIG. 4.65 Rendimiento = f (Potencia Activa de Salida)

Page 189: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 178 -

a*•IU

010£

MAQUINA NUMEHO 1

A) 1900 RPM, 1,9.18 uK/KASB, C A R O A RESISTIVA

SIMULACIÓN, *«« EXPERIMENTALES

U) 1900 RPH, 1(9.18 uF/KASE, C A R U A C A P A C I T I V A (fp-0.95)

SIMUUCION

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O.I

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FIG. 4.66 Rendimiento = f (Potencia Activa de Salida)

Page 190: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 179 -

UJ

r.

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*: i

01o

<Jz

io

MAQUINA HÜMKRO 2

A) 1850 HPM, 29.31 UF/FASE, CAHC.A RESISTIVA

SIMULACIÓN, ••• EXPWflMniTALUS

U) 1850 RPM, 29.31 UF/FASK, CAMA CAPACITIVA (fp=0.97)

SIMULACIÓN

FIG. 4.67 Rendimiento = f (Potencia Activa de Salida)

Page 191: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 180 -

•J<ttu

Iofr—•zuf.o-zUJ-c

MAQUINA NUMERO 1

A) 1000 PPM, 1(9.18 uF/KASE, CARGA RESISTIVA

SIMULACIÓN, •»• EXPERIMENTALES

B) 1850 RPM, 1,9.10 UF/FASE, CARGA RESISTIVA

IMULACIÓN

o. o

<t

FIG. 4.68 Rendimiento = f (Potencia Activa de Salida)

Page 192: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 181 -

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MAQUINA NUMERO 2

A) 1850 HPM, 33.2'iuF/FASE, CARGA RESISTIVA

SIMULACIÓN, •*• EXPERIMENTALES

B) 1950 RPM, 3J.2I» uF/FASE, G A R Ú A RESISTIVA

SIMULACIÓN

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FIG. 4.69 Rendimiento = f (Potencia Activa de Salida)

Page 193: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 182 -

2UJ

oa.I o

o

MAQUINA NUMEHO 1

A) 1800 fiPM, 1(9.18 uí'/KASE, CARGA RESISTIVA

SIMULACIÓN, ••• EXPERIMENTALES

U) 1800 DPH, 51(.ai* uF/KASE, CAliOA RESISTIVA

SIMULACIÓN

Oo.

FIG. 4.70 Rendimiento = f (Potencia Activa de Salida)

Page 194: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 183 -

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1MAQUINA HUMERO 2

A) 1850 HPM, 33.2'l uF/FASE, CARGA RESISTIVA

SIMULACIÓN, *»• EXPERIMENTALES

B) 1850 HPM, 36.16 uF/FASE, C A D U A RESISTIVA

SIMULACIÓN

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FIG. 4.71 Rendimiento = f (Potencia Activa de Salida)

Page 195: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

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00 -e»

FIG. 4.72

FIG. ,4.73

Deslizamiento

= f

(Potencia

Acti

va d

e Sa

lida

)

Page 196: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

MAQUINA NUMERO 1

A) 1900 RPH, i)9.18 uF/FASE, C

ARGA RESISTIVA

SIMULACIÓN, «I* EXPERIMENTALES

B) 1900 RPH, W.IS uF/FASE, CARGA

CAPACITIVA (fp=0.95)

SIMULACIÓN

- ..*.

MAQUINA NUMERO 2

A)

1650

R

PM

, 29.

31

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CARG

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PM

, 29.

31

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FIG. 4.74

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izam

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f (Potencia

Acti

va d

e Sa

lida

)

FIG. 4.75

Page 197: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

MAQUINA NUMERO 1

A)

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A

SIM

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AC

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CD CTV

FIG. 4.76

FIG/477

Deslizamiento

= f

(Potencia

Acti

va d

e Sa

lida

)

Page 198: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

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FIG. 4.78

FIG. 4.79

Deslizamiento

= f

(Potencia

Activa d

e Sa

lida

)

Page 199: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 188 -

4.2 PRUEBAS Y RESULTADOS EN EL GENERADOR ACOPLADO A UNA BARRA INFINITA

4.2.1 PRUEBAS DE_LABORATORIO

Las pruebas de laboratorio del generador de inducción acoplado a una ba^

rra infinita se realizan con el objeto de probar la teoría básica de la

máquina de inducción, pues si ésta es manejada a una velocidad superior

a la sincrónica, entregará potencia activa a la red. Además, se vio la

necesidad de observar su comportamiento cuando la potencia reactiva se

suministra en pasos continuos, como sucede en este modo de operación.

De esta forma es posible llevar a la máquina de inducción a valores nc>

minales de potencia o corriente.

Para las pruebas,en el Laboratorio de Máquinas Eléctricas se armo" el

circuito cuyo diagrama de conexiones es indicado en la Fig. 4.80. Este

circuito está compuesto de: la máquina motriz, la máquina de inducción

que va a funcionar como generador, la barra infinita, que en este caso

son los terminales de salida del autotransformador conectado a la red,

y los instrumentos de medición.

Page 200: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 189 -

MAQUINA MAQUINA «MOTRIZ DE INDUCCIÓN

(ESTATOREN A)

FIG. 4.80 Diagrama de conexiones para las pruebas en la máquina de iji

ducción funcionando como generador de inducción acoplado a

una barra infinita.

En la Fig. 4.80 son indicadas las siguientes variables que fueron medj_

das:

sal

velocidad del rotor [RPM]

Voltaje terminal de línea [V]

Corriente de estator de línea [A]

Potencia activa trifásica de salida [W]

4.2.2 PROCEDIMIENTO

Para poner en marcha al generador de inducción acoplado a una barra in^

finita, se siguieron los pasos descritos en el apartado 1.6.1. Primera^

mentó se comprueba que el sentido de giro de la máquina motriz coincida

Page 201: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 190 -

con el de la máquina de inducción cuando ésta funciona como motor; lu£

go ya acopladas las máquinas, se ajusta la velocidad de la máquina mo-

triz al valor sincrónico nominal y finalmente se conecta el estator a

la barra. Previamente se comprueba que el autotransformador marque en

su salida el voltaje nominal de la máquina de inducción en el momento

de la conexión a la red.

Realizados estos pasos, con un voltaje terminal de línea nominal de 220

V y una velocidad sincrónica nominal de 1800 RPM, dio como resultado en

el arranque una corriente de estator de línea de 12.5 A para la máqui-

na número 1 y de 8.8 A para la máquina número 2, estabilizándose luego

en valores aproximados a los de las corrientes tomadas en las pruebas

en vacío para la determinación de sus parámetros.

Debido a esta característica de la corriente de estator en el arranque

y por protección de los instrumentos de medición, la puesta en marcha

se la hizo a O V de voltaje terminal y por medio del autotransformador

se procedió a subir el voltaje hasta su valor nominal, a la vez que se

controla la adecuada marcación del vatímetro por medio del ajuste de la

velocidad, la cual debe ser levemente superior a la sincrónica nominal

para que la máquina de inducción funcione como generador. Conseguido

el voltaje terminal nominal, se procede a variar la velocidad en valo-

res superiores a la sincrónica nominal y a tomar los valores respectivos

en cada paso.

4.2.3 RESULTADOS_MEDIDOS

Manteniendo el voltaje terminal Vt constante y variando la velocidad n

Page 202: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 191 -

se tomaron medidas de la corriente de estator I y de la potencia acti-

va de salida P ,. A partir de estos valores se calculan los de la po-

tencia reactiva de salida Q , y los del factor de potencia de la máqir[

na FP. En la Tabla 4.20, Fig. 4.81 y Fig. 4.82 se indican los valores

y curvas obtenidas para cada máquina, los valores están en p.u. y con

los siguientes valores base:

- Máquina número 1: 220 V, 16.3 A, 6211.13 VA, 60 Hz.

- Máquina número 2: 220 V, 7 A, 2667.36 VA, 60 Hz.

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- 192 -

TABLA 4.20 CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR DE INDUCCIÓN ACOPLADO A UNA

BARRA INFINITA

MAQUINA NUMERO 1

vt[p.u.]

1.0

1.0

1.01.0

1.0

1.0

nr[p.u.]

1860

185018401830

1820

1810

s *

[*]

-3.33

-2.78-2.22

-1.67

-1.11

-0.56

Js[p.u.]

0.681

0.613

0.521

0.448

0.4140.405

"sal[p.u.]

0.483

0.403

0.298

0.185

0.113

0.097

Q T *wsal[p-u.]

0.480

0.462

0.427

0.408

0.398

0.393

FP *

[p.u.]

0.709

0.657

0.572

0.413

0.273

0.240

MAQUINA NUMERO 2

vt[p.u.]

1.01.0

1.01.01.0

1.0

1.0

nr[p.u.]

18701860

18501840

1830

1820

1810

s *

[%]-..

-3.89-3.33

-2.78-2. -22

-1.67

-1.11 --0.56

's[p.u.]

1.2071.057

0.9790.879

0.764

0.7070.664

Psal[p.u.]

0.8550.705

0.600

0.502

0.360

0.270

0.165

Q i *ysal[p.u.]

0.8520.788

0.7740.722

0.674

0.653

0.643

FP *

[p.u.]

0.708

0.667

0.613

0.571

0.471

0.382

0.248

Valores obtenidos a partir de valores medidos.

Page 204: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

; ; : - • 193' - i : . . ! • . : . ; . ; •• ;

FIG.4.81 CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR DEINDUCCIÓN ACOPLADO A UNA BARRA

I INFINITA: i (MAQUINA NUMERO I)

o.oo1800

O

I8IO-0.56

1820

-Ul

1830Jl.67

1840 18502.22 -2.78

1860-3.33

i « : i i

Page 205: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

FIG. 4.82 CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR DEINDUCCIÓN ACOPLADO A UNA BARRA

: INFINITA ¡ . :

. • ! . (MAQUINA NUMERO 2) 1. '.'•.

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- 195 -

4.2.4 ANAL ISI SgEL_COMPORTAMI E N T O D E _ L A M A i N A D E INDUCC ION E N B A S E A

Los resultados que se presentan permiten determinar! el comportamiento

de la máquina de inducción funcionando como generador de inducción ac£

piado a una barra infinita.

Empezando desde un valor de deslizamiento igual a cero, la potencia ac_

tiva de salida fluye hacia la máquina, tal como se comprueba al hacer

la prueba en vacío para la determinación de sus parámetros. La máquina

de inducción se comporta verdaderamente como generador a una velocidad

levemente superior a la sincrónica nominal (entre 1800 y 1810 RPM para

ambas máquinas), a partir de que la potencia activa se hace igual a c£

ro. Elevando la velocidad sobre este límite, la potencia activa empi£

za a fluir hacia la red, cuando la potencia mecánica en el eje sobrepa^

se las pérdidas eléctricas y mecánicas de la máquina.

El aumento de la velocidad eleva la magnitud del deslizamiento y mas po

tencia activa fluye hacia la red, también lo hace la corriente de esta_

tor y por lo tanto la demanda de potencia reactiva de la máquina, obte_

niéndose valores definidos para cada velocidad.

El factor de potencia de la máquina de inducción es bajo a velocidades

cercanas a la sincrónica nominal, esto debido a que en vacío la máqui-

na de inducción demanda una potencia reactiva mínima, y constante si sjj

ponemos que el voltaje de entrehierro se mantiene constante al variar

la carga, a cuyo valor se suman los correspondientes en las reactancias

de dispersión.

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- 196 -

Con respecto a la máquina número 1 de rotor bobinado no fue posible 11 e?

varíe a condiciones de corriente nominal, esto debido a la menor capacj_

dad de la máquina motriz. La máquina número 2 de rotor doblo jaula si

fue posible llegar y sobrepasar el valor de corriente nominal; a una co^

rriente estatórica de línea de 7 A y una velocidad entre 1850 y 1860 RPM,

la potencia activa trifásica de salida fue de 1620 W, potencia superior

a la de 2 CV (1470 W) especificada en la placa. Esta característica si

es mencionada en la referencia [31] y es debida a que los efectos de

fricción y ventilación son vencidos por la máquina motriz.

Page 208: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

El principal objetivo del presente trabajo ha sido la comprobación tejó

rica y experimental de que la máquina de inducción de rotor bobinado co

mo de rotor doble jaula, pueden funcionar como generador, de tal forma que

los conceptos presentados y conclusiones obtenidas sirvan para futuros

estudios y aplicaciones.

Con respecto al generador de inducción acoplado a una barra infinita, a

voltaje terminal y frecuencia constantes, se obtuvieron las siguientes

conclusiones:

- La potencia activa de salida depende de la velocidad al eje, obte -

niéndose el flujo hacia la barra desde una velocidad ligeramente sup_e

rior a la sincrónica.

- Para cada valor de potencia activa de salida hay un valor determina^

do de potencia reactiva de salida que absorbe la máquina y debe ser

suministrada por el sistema. Inclusive en vacío se produce tal de-

manda de potencia reactiva para mantener el flujo magnético.

- El voltaje terminal y la frecuencia en el estator son impuestos por

la barra.

- De todas las características y ventajas presentadas se concluye que

el generador de inducción acoplado a una barra infinita sería mejor

y fácilmente utilizado funcionando a una velocidad constante de máx£

mo rendimiento; así como también, su constante potencia reactiva ab

Page 209: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 190 -

sorbida, sería compensada con capacitores fijos u otros métodos que

eviten bajar el factor de potencia del sistema. Operando de esta

forma, la potencia activa entregada debería ser menor a la potencia

activa de mínima carga del sistema (noche, verano, etc.) para que en

cualquier descenso de carga el generador de inducción no cubra en ex^

ceso, sino, siempre acompañado de otros generadores sincrónicos. Un

estudio de estas condiciones resultan fáciles en instalaciones exi£

tentes, al disponerse de estadísticas y predicciones de demanda.

El utilizar al generador de inducción con control de potencia activa

o velocidad, lo haría mis complejo en su operación y compensación.

Un generador de inducción puede ser cualquier motor de inducción ma_

nejado a velocidad mayor a la sincrónica. A pesar de que no se en-

contró datos estadísticos normalizados concernientes a capacidad o

comportamiento del generador de inducción, todas las existentes del

motor de inducción respecto a rangos de temperatura, dimensiones,

pruebas, etc., podrían aplicarse a la máquina usada como generador.

La potencia de plena carga o nominal de un motor de inducción utili-

zado como generador sería aproximadamente su potencia de placa esp£

cificada en vatios, aunque por las pruebas aquí realizadas y por re

ferencias, a la corriente de estator nominal, la potencia activa de

salida funcionando como generador es superior a la de placa como mo

tor.

La simulación digital no se realizó en este caso pues demanda de un

estudio teórico-matemático más profundo, el cual puede ser objeto de

otra tesis.

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- 199 -

Respecto al generador de inducción autoexcitado se obtuvieron las si-

guientes conclusiones:

- Tipo de carga, velocidad y capacitor de excitación son los factores

que influyen sobre la determinación de voltajes, corrientes, poten-

cias, frecuencia, etc. El control del voltaje terminal puede ser

realizado con la variación de la velocidad y del capacitor de excita,

ción, mientras que el control de la frecuencia de operación solamen-

te con la velocidad.

- La potencia activa de salida .está caracterizada por tener un máximo

punto a partir del cual se produce una disminución de su valor con

el aumento de la carga. Este efecto, al que se suman los que la di\s_

minución del voltaje terminal y de la frecuencia de operación, es d£

bido a que el capacitor de excitación es la fuente de potencia reac:

ti va para la carga como para la máquina de inducción.

- La pérdida de excitación sucede cuando el capacitor de excitación no

suministra la necesaria corriente magnetizante. Esta caracterizada

por ser una condición inestable de operación, con el voltaje termi-

nal oscilatorio con máximos cada vez de menos valor; se produce por

la disminución de la velocidad, disminución del capacitor de excita^

ción o aumento de la carga. Por lo tanto, si se mantienen constan -

tes cualquiera de los otros dos factores, se puede hablar de capaci_

tor mínimo de excitación, velocidad mínima de excitación o impedan -

cía mínima de excitación.

- Fue importante el escogitameinto de máquinas de inducción de diferejí

Page 211: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

- 200 -

te potencia al obtenerse diferentes valores de capacitores mínimos

de excitación.

El generador de inducción autoexcitado, como fuente aislada de potejn

cia, ofrece ciertas ventajas sobre el generador sincrónico convencú)

nal. Menor costo, fuerte construcción en máquinas con rotor jaula

de ardilla, ausencia de fuente aislada de corriente continua para la

excitación y fácil mantenimiento, son algunas de sus ventajas.

Ya que el voltaje terminal como la frecuencia de operación dependen

de la velocidad, capacitor de excitación y carga, pueden ser traza-

dos esquemas de control para contrarrestar estos inconvenientes. U-

sando fuentes estáticas de reactivos o reactores en combinación con

capacitores,mantendrían el voltaje terminal constante. El voltaje

constante con frecuencia variable podría ser convertido a voltaje

constante con frecuencia constante usando primero una etapa de recti_

ficación para obtener voltaje continuo constante, y luego por medio

de una etapa de inversión, obtener voltaje alterno constante.

Para ambas formas de operación, la máquina de inducción como genera-

dor, a la corriente nominal, puede entregar una potencia activa de

salida superior a la potencia nominal funcionando como motor.

Los resultados de la simulación digital llegaron a ser aceptables

con respecto a un gran número de valores medidos, excepto para aque-

llos con los cuales la máquina comienza a perder excitación.

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R E C O M E N D A C I O N E S

Dado que esta tesis es la primera en tratar sobre el funcionamiento de

la máquina de inducción como generador acoplado a una barra infinita y

autoexcitado, queda abierta la posibilidad de realizar los siguientes

estudios:

- Una mejor formulación matemática en estado estable del generador de

inducción acoplado a una barra infinita, donde se incluyan efectos

tales como la saturación magnética, variación del voltaje terminal,

variación de la frecuencia y 'la introducción de elementos de compein

sación reactiva.

- Formulación matemática del transitorio en la autoexcitación del genei

rador de inducción autoexcitado, donde interesa encontrar conveniejí

tes condiciones iniciales.

- Análisis en estado transitorio y desbalanceado para las dos formas

de operación.

- Aplicaciones en situaciones específicas, donde se incluirían siste-

mas de control y formas de suministrar reactivos para los dos modos

de operación.

- Realizar un estudio económico acorde a nuestro medio y con la posibi^

lidad de utilización del generador de inducción acoplado a una barra

infinita como elemento de apoyo a otras mayores, y del generador de

inducción autoexcitado en microcentrales que puedan ser instaladas

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- 202 -

en poblaciones aisladas, cumpliéndose con el objetivo del servicio

eléctrico.

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A P É N D I C E A

INTERPRETACIÓN DE LAS RAICES DE LA ECUACIÓN CARACTERÍSTICA

Y SU UBICACIÓN EN EL PLANO COMPLEJO

En los apartados 3.4 y 3.5 se indican los pasos a seguirse para la ob-

tención del estado estable del generador de inducción autoexcitado.

Tomando el ejemplo dado en el apartado 3.5, supongamos que iniciamos el

proceso con un valor de reactancia de magnetización xm no saturado y se

obtienen las siguientes raíces de la ecuación característica para carga

resistiva.

yi = B! + jb! (A.l)

y2 = az + jb2 (A. 2)

ya = a3 - Jb3 (A. 3)

donde ai, bls a2, b2, a3 y b3 son números reales positivos.

La solución completa a la ecuación (3.24) y la obtención de las demás

componentes simétricas instantáneas estarían dadas por la ecuación

(3.35) y por las características de las componentes simétricas instantá_

neas dadas en el apartado 3.2.2 . De esta forma tenemos:

(A. 4)

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A.2

(t) = K2e2fl.fb.(-a2-jb2).t+2'

(A. 5)

1s°(t) = O (A.6)

Transformando las ecuaciones (A.4), (A.5) y (A.6) a variables trifási-

cas ica» ieh e icr. P°r medi° de la ecuación (3.10):

/T

1 1

j 411/3 " °(t)

(A.7)

Analicemos sólo a i' (t) puesto que se trata de un sistema trifásico baSa —

lanceado. Esta es igual a:

(A.8)

Reemplazando las ecuaciones (A.4), (A.5) y (A.6) en la ecuación (A.8):

(A.9)

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A.3

f"(t) =e-2lí.fb.a2.t

(ej2ll.fb.b2.t + e-j2fl.fb.

+ g-j2H.fb.ba.tj

De acuerdo a las ecuaciones (3.37) y (3.38):

(A.10)

i" U) =sa

i K i _ e . . . a 1 . c-os(2fl.fb.bl.t)

.cos(2lf.fb.b2.t) +2.K3.e~2lí-fb-a3't cos(2lf.fb.b3.t)

(A.11)

De esta última ecuación podemos notar la existencia de componentes exp£

nenciales en cada término. Dos componentes exponenciales son decreciera

tes, mientras la tercera es creciente en el tiempo, lo que hace también

creciente en el tiempo a isa(t) o de respuesta inestable.

Supongamos que se ha llegado a la respuesta estable por medio de la

nación de xm, las raíces ahora son:

ya = O + jbu

= -a33 + Jb33

(A.12)

(A.13)

(A.14)

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A.4

donde bu, 822» b22> 833 y b33 son números reales positivos.

Procediendo de igual forma que el primer grupo de raíces, isa(t) es:

i' a(t) =1

sa . K 2 . e ~ ' - 2 2 ' cos(2H.fb.b22.t)

> cos(2ií.fb.b33.t) CA.15)

Comparando la ecuación (A.11) con la ecuación (A.15) se observa que se

mantienen las componentes exponenciales decrecientes e i ,(t) se con-savierte escencialmente en una función cosenoidal en el tiempo o de res-

puesta estable.

En la Fig. A.l se representa el plano complejo, y de acuerdo a la ubic£

ción de las raíces de la ecuación característica en el miso, se obtiene

respuestas cosenoidales decrecientes (raíces con partes reales negati -

vas), respuestas cosenoidales crecientes (raíces con partes reales posj_

tivas) y respuestas cosenoidales (raíces con partes rea-les iguales a ce

ro).

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A.5

FIG. A.l Ubicación de las raíces de la ecuación característica en el

plano complejo y determinación del tipo de respuesta.

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A P É N D I C E B

PARA LA OBTENCIÓN DE RAICES

DE UNA ECUACIÓN POLINOMIAL [30]

El método del descenso más pronunciado permite la obtención de las raj

ees reales o complejas de una ecuación polinomial de grado n de coefi-

cientes reales o complejos. Sea la función:

f(z} = A,z + A-.Z ~* + + A Z + A (R 1 ^>\-i "1^- T '^ze- T ••• T n <- T M , ^D.I;

donde los coeficientes A - (i =1, 2, ..., n + 1) son números reales o

complejos, y la variable z es compleja de la forma:

z = x + jy (B.2)

Se desea encontrar aquellos valores de z que hacen f(z) = 0.

Sean u y v las partes real e imaginaria de f(z), o sea:

f(z) = u(x, y) + jv(x, y) (B.3)

donde tanto u como v son funciones reales de las varibales reales

(x, y).

Defínase una función F(x, y) de la siguiente forma :

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B.2

F(x, y) = u2 + v2 (B.4)

Resulta que esta función F(x, y) tiene la propiedad de que aquellos v¿

lores de las variables (x, y) que la hacen igual a cero, tienen que fia_

cer simultáneamente a las funciones u(.x, y), v(x, y). Es decir, los ce

ros de F(x, y) constituyen la parte real e imaginaria de una raíz de

f(z) = 0. En consideración a esta propiedad, habrán n pares de valores

(x, y) que hacen cero a F(x, y) ya que f(z) = O es una ecuación polino

mial de grado n y tiene por consiguiente n rafees.

El método del descenso más pronunciado consiste en minimizar la función

F(x, y). Se comienza desde un punto arbitrario:

x = x1 (B.5)

y = yi (B-6)

y se evalúa F = F(x1} ya). A partir de este punto se deben encontrar

valores de (x, y) que hagan que F(x, y) tome valores más pequeños.

Sean (x2, ya) los nuevos valores de (x, y) que siguen un camino de de-

crecimiento rápido de F iguales a:

x2 = xi + Ax (B.7)

y2 = y\ Ay (B.8)

donde:

Ax = -h.(u-^-+ v-^-) (B.9)3x 8x

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B.3

Ay = _n;(_u + v j3x 3x

1(B.ll)

j¿ ) 2 + / .V ) 2

3x 3X

siendo h una variable que representa la amplitud del paso de cambio del

punto 1 al 2.

Las derivadas 3u/3x y 3v/3x se encuentran al cumplirse las siguientes

igualdades:

f (?) = n.A^z""1 + (n-i).A2.?n-2 + ... + A = + j 3x 3x

Una vez evaluado el nuevo punto F2 se compara con el valor del punto ají

terior FI ; si Fz es menor a FI , se actualizan los valores de (x, y) y F.

Si por el contrario, el valor de P¿ es igual ao mayor a Fa , se repite

la evaluación de (x2, y 2) con incrementos (Ax, Ay) más pequeños (por £

jemplo con el 80% de los valores originales) hasta que F2 sea menor a

El proceso debería continuar teóricamente hasta que F(x, y) = O, pero

en forma práctica se define un valor pequeño e y se debe repetir el prp_

ceso hasta que:

|F(x, y)| < e (B.13)

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B.4

Los valores de (x, y) constituirán una raíz se la ecuación f(z) = 0.

El método converge siempre con independencia del valor inicial arbitra,

rio (xi, YI), siempre y cuando sean diferentes de cero.

A continuación se establece una metodología que permite establecer los

valores iniciales (xi, yi) relativamente cercanos a alguna raíz de la jí

cuación f(z) = 0. En primer lugar se hace igual a 1 el coeficiente del

término de grado n de la ecuación (B.l):

znAi Ai Ai

donde:A

n-i . . Bn'K . _ n+...+ — M +-^- - O

zn + B2 . z""1 -f ... Bn.z + Bn+j = O (B.15)

B. = -¿ (B.16)J Ai

Haciendo el siguiente cambio de variables:

z = K.Ü) (B.17)

donde K es un número real, la ecuación (B.15) queda:

Kn.o)n + B2. Kn"'.ü>n~ '+...+ Nn.K.u + B = O

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B.5

n . B 2 n-1 .U) + —- 0) +

K.. + n+i _ o (B.20)

donde:

Si:

entonces:

C.J

B.

n+i= i

(|Bn+,l)'/nn+i

= O (B.21)

(B.22)

(B.23)

CB.24)

Al ser el módulo del término independiente C ., = 1, es posible iniciaflTl —

lizar el proceso de cálculo de una raíz con un número complejo (

tal que su módulo sea menor que 1.

Una vez encontrada una raíz de la ecuación en Wj la raíz de la ecuación

original en z se encuentra utilizando la transformación z = K.w.

Cuando ya se ha encontrado una raíz z. de lo ecuación polinomial f(z)=0,U

se divide dicha ecuación para (z - z.) con lo que se tendría una ecua-\J

ción de grado menor en uno con relación al grado original.

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A P É N D I C E C

EQUIPO UTILIZADO

- Máquinas de Inducción:

Máquina Número 1 (rotor bobinado):

CETEL Bruxelles: TIPO S611 N* 3 60 Hz

220/380 V 16.3/9.55 A 1740 RPM

5.5 CV 3 FASES eos $ 0.8

Máquina Número 2 (rotor doble jaula):

CETEL Bruxelles: TIPO S611 N* 17 60 Hz

220/380 V 7/4.04 A 1800 RPM

2 CV 3 FASES

- Máquina motriz:

Motor Schrage:

CETEL Bruxelles: TIPO S611 N* 19

220/380 V 9.9-13.5/5.7-7.8 A

0.85-3.3 KW eos <f> 0.49-0.95

675-2500 RPM 60 Hz

- Pruebas para la determinación de parámetros:

1 amperímetro C.C.: 1 - 3 - 10 - 30 A

1 voltímetro C.C.: 30 - 100 - 300 - 1000 V

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C.2

1 amperímetro A.C.: 12 - 24 A

1 voltímetro A.C.: 65 - 130 - 260 V

2 vatímetros A.C.: 5 - 25 A, 120 - 240 A, eos <|> 0.2

1 autotransfontlador:

POWERSTAT: TIPO 136B-3 SPEC BP57507

240 V (ENTRADA) 60 Hz 3 FASES

280 V (SALIDA) 22 A 10.7 KVA

1 estroboscopio: 180 - 600, 600 - 1800, 1800 - 6000, 6000 - 18000 RPM

1 máquina motriz: (mismos datos).

- Pruebas para determinar la relación entre el voltaje de entrehierro

y la reactancia de magnetización:

1 amperímetro AC: 1.2 - 6 A

1 amperímetro AC: 12 - 24 A

1 voltímetro AC: 65 - 130 - 260 V

1 voltímetro AC: 300 - 750 V

1 estroboscopio: (mismos datos)

1 máquina motriz: (mismos datos)

- Pruebas con los generadores de inducción autoexcitados:

1 medidor digital de R-L-C: nfl - Mfi (DC, uH - KH (120 Hz - 1 KHz)

nF - mF (120 Hz - 1 KHz).

1 carga capacitiva trifásica:

CETEL Bruxelles: TIPO S611 N* 12

220/380 V 5.8/3.35 A 60 Hz

Capacidad promedio: 4 x 9.77 uF

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C.4

1 cámara fotográfica: TEKTRONIX, rollo blanco y negro POLAROID 667

1 máquina motriz: (mismos datos)

Pruebas con los generadores de inducción acoplados a una barra infi-

nita.

1 amperímetro A.C.: 1.2 - 6 A

2 amperímetros A.C.: 12 - 24 A (uno es utilizado en la máquina mo-

triz)

1 voltímetro A.C.: 300 - 750 V

1 vatímetro trifásico A.C.: (mismo datos)

2 transformadores de corriente: (mismos datos y son utilizados juin

to al vatímetro trifásico)

1 autotransformador: (mismos datos)

1 estroboscopio: (mismos datos)

1 máquina motriz: (.mismos datos)

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A P É N D I C E

MANUAL DE USO DEL PROGRAMA DIGITAL

1. OBJETIVO

El objetivo del programa digital es probar el modelo matemático desarrp_

liado en el Capítulo III para la simulación en estado estable del gene^

rador de inducción autoexcitado. Mediante este programa se puede obt£

ner variables en forma tabulada y gráficos de las características en V£

cío y en carga, siendo comparados con los resultados obtenidos en el la_

boratorio.

2. MÉTODO DE SOLUCIÓN

El análisis matemático parte de su circuito equivalente operacional por

fase de secuencia positiva. De este circuito se obtiene su ecuación ca_

racterística de respuesta transitoria y sus correspondientes raíces, p<a

ra condiciones de carga, velocidad y capacitor de excitación dados, a

la vez que la reactancia de magnetización toma el valor no saturado.

Habrá autoexcitación si existe una sola raíz particular con parte real

positiva, y se llega a la respuesta estable cuando dicha parte real se

hace igual a cero para un determinado valor de reactancia de magnetiza^

ción, la cual es decrecida desde un valor máximo (valor no saturado).De

esta forma, la parte imaginaria de la raíz particular corresponde a la

frecuencia de operación de estado estable, y las demás raíces con pa£

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D.2

tes reales negativas corresponde a componentes exponenciales decreciejí

tes en el tiempo de la respuesta total.

Establecidas así la reactancia de magnetización y la frecuencia de op£

ración de estado estable, por medio de su relación funcional, se encuen^

tra el voltaje de entrehierro, y las demás variables del circuito equi_

valente por fase de estado estable.

Este proceso se lo lleva a cabo para cada condición de carga, velocidad

y capacitor de excitación.

3. DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA

En el Capítulo III se halla descrito en detalle cada parte del progra-

ma, con su respectivo diagrama de flujo, por lo que se recomienda remi_

tirse a dicha sección.

El programa principal es llamado "TESIS" en la cinta que fue grabado la

totalidad del programa.

4. NOMENCLATURA

a) Datos de entrada para títulos:

SÍMBOLO DESCRIPCIÓN

TIT1 Título número 1 (60 caracteres)

TIT2 Título número 2 (60 caracteres)

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D.3

b) Datos de entrada nominales (base) de la máquina de inducción

por fase:

SÍMBOLO DESCRIPCIÓN

VB Voltaje base [V]

CB Corriente base [A]

FB Frecuencia base [Hz]

NP Número de polos

c) Dato de entrada de la potencia de pérdidas de la máquina de iin

ducción por fase:

SÍMBOLO DESCRIPCIÓN

PPER Potencia de pérdidas [W]

Si no se considera la potencia de pérdidas, ésta es introducida

con el valor de cero.

d) Datos de entrada de los parámetros de la máquina de inducción

por fase a frecuencia'base:

SÍMBOLO DESCRIPCIÓN

RS Resistencia del estator [fi]

RR Resistencia del rotor referida al estator [ñ]

XLS Reactancia de dispersión del estator [ft]. i • •XLR Reactancia de dispersión del rotor referida al estator

XM Reactancia de magnetización

(Valor no saturado)

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D.4

e) Datos de entrada de la relación entre la reactancia de magnetiza

ción xm y el voltaje de entren¡erro Vg p0r fase a frecuencia b£

se (ver Fig. 3.4):

SÍMBOLO DESCRIPCIÓN

PENDÍ Pendiente de la RECTA 1

CRUC1 Valor de V [V] cuando xm = O para la RECTA 1

PEND2 Pendiente de la RECTA 2

CRUC2 Valor de V [V] cuando x = O para la RECTA 2y

PENC Valor de xm [n] donde se cruzan la RECTA 1 y RECTA 2

Si PENDÍ = PEND2 y CRUC1 = CRUC2, PENC toma cualquier valor ma-

yor al de x de valor no saturado. Este caso es cuando la

ción entre xm y Vg es una sola recta.

f) Datos de entrada para cada tipo de estudio y número de curvas:

SÍMBOLO DESCRIPCIÓN

IGRAF1 Tipo de*estudio:

1 = Características en carga

2 = Características de variación de la velocidad en

vacío

3 = Características de variación del capacitor de ex.

citación en vacío.

NCURV Número de curvas de estudio (máximo son tres)

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D.5

f.l) Datos de entrada por fase para cada curva cuando IGRAF1= 1

SÍMBOLO

JINCZ1

JINCZ2

JINCZ3

ZINC1

ZINC2

ZINC3

ZINC4

IRLC

FP

DESCRIPCIÓN

Número del punto hasta el cual el incremento de

impedancia de carga es igual a ZINC1, desde el

punto 1.

Número del punto hasta el cual el incremento de

impedancia de carga es igual a ZINCZ, desde el

punto (JINCZ1 + 1). Además JINCZ2 > JINCZ1.

Número del punto hasta el cual el incremento de

impedancia de carga es igual a ZINC3, desde el

punto (JINCZ2 + 1). Además JINCZ3 > JINCZ2.

Incremento de impedancia de carga desde el punto

1 al JINCZ1.

Incremento de impedancia de carga desde el pun

to (JINCZ1 + 1) al JZINC2, Además ZINC2 > ZINC1.

Incremento de impedancia de carga desde el pun_

to (JZINCZ2 + 1) al JZINC3. Además ZINC3 > ZINC2,

Incremento de impedancia de carga desde el pun_

to (JÍNCZ3 + 1) al 29 (el punto 30 es para la

condición de vacío). Además ZINC4 > ZINC3.

Tipo de carga:

1 = Carga resistiva

2 = Carga inductiva

3 = Carga capacitiva

Factor de potencia de la carga que se escoge pa^

ra ser constante.

Capacitor de excitación [uF]

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D.6

SÍMBOLO DESCRIPCIÓN

W Velocidad [RPM]

SIGN Signo de impresión de gráficos.

f.2) Datos de entrada por fase para cada curva cuando IGRAF1=2

SÍMBOLO DESCRIPCIÓN

C Capacitor de excitación [uF]

VELMAX Velocidad máxima de estudio [RPM]

SIGN Signo de impresión de gráficos

f.3) Datos de entrada por fase para cada curva cuando IGRAF1=3

SÍMBOLO DESCRIPCIÓN

CAPMAX Capacitor de excitación máximo de estudio [uF]

W Velocidad [RPM]

SIGN Signo de impresión de gráficos

g) Datos de salida y tabulados por fase:

SÍMBOLO DESCRIPCIÓN

WB Velocidad sincrónica base [RPM]

SB Potencia base [KA]

ZB Impedancia base [íí]

R (RLR) Resistencia de carga [p.u.]

L (BL) Inductancia de carga [H]

C (CL) Capacitor de carga [F]

FP (FP) Factor de potencia de la carga

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D.7

SÍMBOLO

CAP EXEC (Q)

VELOC (WR)

XM (XM)

FREC (F)

DESL (DES)

VTER (VO)

IEST (CISR)

ICAR (CILR)

PENT (PMEC)

QCON (QCON)

PSAL (PSAL)

QSAL (QSAL)

RENO (REN)

SGN (SIGN)

DESCRIPCIÓN

Capacitor de excitación [uF]

Velocidad [RPM]

Reactancia de magnetización a frecuencia ba-

se [n]

Frecuencia de operación [p.u.]

Deslizamiento [%]

Voltaje terminal [p.u.]

Corriente de estator [p.u.]

Corriente de carga [p.u.]

Potencia de entrada al eje [p.u.]

Potencia del capacitor de excitación [p.u.]

Potencia activa de salida [p.u.]

Potencia reactiva de salida [p.u.]

Rendimiento [%]

Signo de impresión de gráficos para cada curva.

Además y como parte de un encabezonamiento salen los títulos y

datos de los valores base, potencia de pérdidas, parámetros,

relación entre xm y Vg y los datos de JINCZn y ZINCn.

h) Los gráficos salen de acuerdo al tipo de estudio de la siguien-

te forma y orden:

Para las características en carga (IGRAF = 1):

Rendimiento = f (Potencia Activa de Salida)

Voltaje Terminal = f (Potencia Activa de Salida)

Voltaje Terminal = f (Corriente de Carga)

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D.8

Voltaje Terminal = f (Corriente de Estator)

Frecuencia = f (Potencia Activa de Salida)

Deslizamiento = f (Potencia Activa de Salida)

Potencia del Capacitor de Excitación = f (Potencia Activa

de Salida)

Voltaje de Entrehierro = f (Corriente de Magnetización)

Para las características de variación de la velocidad en vacío

(IGRAF1 =2):

Voltaje Terminal = f (Velocidad)

Frecuencia = f (Velocidad)

Corriente de Estator = f (Velocidad)

Deslizamiento = f (Velocidad)

Voltaje de Entrehierro = f (Corriente de Magnetización)

Para las características de variación del capacitor de excita-

ción en vacío (IGRAF1 = 3):

Voltaje Terminal = f (Capacitor de Excitación)

Frecuencia = f (Capacitor de Excitación)

Corriente de Estator = f (Capacitor de Excitación)

Deslizamiento = f (Capacitor de Excitación)

Voltaje de Entrehierro = f (Capacitor de Excitación)

Cada gráfico sale en una página y en cada eje están especifica-

das las escalas de cada variable. Para el caso de voltajes y

corrientes están en valores p.u. y reales por fase, potencias

en valores p.u. y reales trifásicos, frecuencia en valores p.u.

y reales, deslizamiento y rendimiento en valores de porcentaje,

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D.9

velocidad en valores en p.u. y reales, y capacitor de excita-

ción en valores reales por fase.

5. FORMA DE PROPORCIONAR DATOS AL PROGRAMA

Los datos de entrada nominales (base), potencia de pérdidas, paráme-

tros y relación entre el voltaje de entrehierro y la reactancia de mag-

netización de la máquina de inducción por fase a frecuencia base, así

como los datos de entrada de velocidad y capacitor de excitación, deben

estar en valores reales. La forma de suministrarlos se encuentra en

las hojas de codificación 1, 2 y 3 que a continuación se presentan.

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UIU

ut

INI-

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NOMBRE DEL PROGRAMA .... .

Programador

Fecha

Hola No .

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D.13

6. RESTRICCIONES

El programa puede ser utilizado para cualquier tipo de máquinas de in-

ducción que va a funcionar como generador de inducción autoexcitado.

Como dato de entrada es pedido el número de curvas de estudio, siendo

éste máximo tres, pero es preferible utilizar hasta dos curvas para o

tener curvas claramente diferenciables.

Respecto a las características en carga, prácticamente hay que dar la

forma a las curvas con los datos de entrada JINCZ1, JINCZ2, JINCZ3,

ZINC1, ZINC2, ZINC3 y ZINC4, ya que la variación de impedancia de carga

no es lineal. A veces puede ser necesario realizar varias corridas has^

ta obtener curvas en las que se aprecie totalmente todas sus formas.Los

datos de entrada mencionados anteriormente dependen de cada máquina,

siendo recomendable empezar dando valores relativamente altos de impe-

dancia de carga, y luego ir ajustándolos.

En el cálculo de valores de impedancia de carga, velocidad o capacitor,

con los que pierde excitación la máquina, la reactancia de magnetiza -

ción a frecuencia base debería tomar su valor no saturado, pero a ve-

ces, debido a que el número de aproximaciones hasta alcanzar este valor

no saturado no puede ser infinito, o porque las variaciones de la impjj

dancia de carga (sobre todo capacitiva) son muy pequeños como para po-

der ajustar su factor de potencia, estos valores pueden no ser tan exa£

tos.

Es de esperarse que la entrega de datos sea lógica y consistente, de no

Page 240: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

D.14

ser así aparecerían los siguientes mensajes:

MI) "NO HAY AUTOEXCITACIÓN PARA GRUPO DE DATOS F: cuando los valo-

res de velocidad o capacitor de excitación son bajos, por lo que

no hay una raíz particular con parte real positiva.

M2) "VELOCIDAD MÍNIMA IGUAL AL DATO DE VELOCIDAD MÁXIMA PARA GRUPO DE

DATOS #", o "CAPACITOR MÍNIMO IGUAL AL DATO DE CAPACITOR MÁXIMO

PARA GRUPO DE DATOS #": cuando los valores mínimos de velocidad

o capacitor de excitación para producir autoexcitación, coinciden

con los datos de entrada máximos, por lo que no hay como obtener

los 30 puntos de análisis.

Para los mensajes MI y M2, si el dato NCURV es 1, el programa es

detenido, pero si es mayor a 1, se lee el siguiente grupo de da-

tos

M3) "ERROR: DATOS NEGATIVOS O IGUALES A CERO": en forma general

do se ha introducido un dato que deba ser positivo y diferente a

cero. Sólo PPER puede ser cero.

M4) "ERROR DATOS PENDÍ y/o PEND2 POSITIVOS O IGUALES A CERO".

M5) "ERROR: DATO PENC MENOR O IGUAL A XM DE VALOR NO SATURADO": si

PENDÍ = PEND2 y CRUC1 = CRUC2 , PENC debe tomar un valor mayor al

de XM no saturado, ya que la relación entre V y xn] es una sola

recta.

Page 241: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

D.15

M6) "ERROR: DATO PENC MAYOR O IGUAL A XM DE VALOR NO SATURADO": si

PENDÍ t PEND2 y CRUC1 f CRUC2, PENC debe tomar un valor menor al

de XM no saturado, ya que la relación entre V y x son dos rectas,

M7) "ERROR: DATO FP MENOR A 1 PARA IRLC IGUAL Al".

M8) "ERROR: DATO IGRAF1 MAYOR A 3".

M9) "ERROR: DATO NCURV MAYOR A 3".

MÍO) "ERROR: DATO IRLC MAYOR O IGUAL A 4 PARA IGRAF1 IGUAL A 1".

Mil) "ERROR: DATO FP MAYOR Al".

M12) "ERROR: DATOS JINCZ MAYORES A 29": cuando el número de puntos ex-

cede a los 29 ya que son sólo 30 con la condición de vacío.

M13) "ERROR: DATOS JINCZ O ZINC NO ESTÁN DE MENOR A MAYOR O HAY VALO-

RES IGUALES": cuando estos datos no están en forma ascendente,

ya que hay que obtener una adecuada forma de las curvas en los

fieos.

7. EJEMPLOS

El ejemplo número 1 ha sido tomado de la referencia [22] y es codifica

do en las hojas 4 y 5.

Page 242: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

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D.18

El ejemplo número 2 es un caso corrido para la máquina número 1 con car.

ga resistiva e inductiva, y cuyos resultados fueron analizados. Es co-

dificado en las hojas 638.

Page 245: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

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Page 246: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

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Page 247: ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE ......1.5.7 Resume de curvasn característica 3s 5 1.6 Principale entr eel generados dre indu diferencia£ 3s 6 ción acoplado a una barra

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