generador-sincrono-laboratorio

GENERADOR SINCRONO

Jaime Augusto Sánchez Pava, Michael Álvaro Hernández Hernández, Omar Julián López Ramírez, Sebastián Ordoñez Muñoz código 20122007020, 20122007022, 20122007118, 20122007017

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Bogotá, [email protected], [email protected], [email protected]

Maquinas Eléctricas laboratorio, grupo 41, Ingeniero Eider Alexander Narváez Cubillos.

Abstract – In this laboratory analysis of a synchronous generator, this leads to performing characterization tests of open and short circuit for the synchronous reactance circuit and the inductive reactance know this as having measurable data directly Resistance occurs winding, in the second part focus what the generator is connected to a load and its stability in a defined power factor.

Keywords: synchronous generator, testing short circuit and open circuit, generator load, Power Factor.

I. INTRODUCCIÓN

La máquina síncrona ha sido una herramienta muy útil para nuestra vida diaria, puesto que gracias a esta se pueden realizar grandes conversiones de energía, según como lo requiera el sistema sea motor o generador, en el sistema de generadores se ve su utilización en las plantas generadoras de energía eléctrica, esta máquina es muy importante debido a su estabilidad de la frecuencia a cierta velocidad de giro, además de su buena estabilidad como unidad generadora; el generador síncrono utilizado en nuestra practica se conectó a una maquina pendular la cual hace la función de brindar un par al eje de rotación del generador para que éste entre en funcionamiento, además de tener un bobinado de campo el cual se debe alimentar con una fuente de tensión VDC y ajustar según se requiera.

II. OBJETIVOS

Objetivo general Analizar el funcionamiento del generador sincrónico y sus respectivas características.

Objetivos especifico Obtención la curva característica del generador síncrono en circuito abierto Obtención la curva característica del generador síncrono en corto circuito Realizar la medición de resistencia del bobinado y calcular la reactancia sincrónica a partir de los datos anteriores Estudiar el generador síncrono con carga Observación del comportamiento del generador con diferentes tipos de cargas manteniendo el FP Calcular la eficiencia del generador en las diferentes cargas.

III. MATERIALES

Banco de ensayos, sistema de control de máquinas Leybold. Generador síncrono. Maquina pendular con sus sistemas de protección. Cables de conexión. Multímetro digital

III. MARCO TEORICO

La máquina síncrona es una máquina reversible ya que se puede utilizar como generador de corriente alterna o como motor síncrono. Está constituido por dos devanados independientes:

a. Un devanado inductor, construido en forma de arrollamiento concentrado o distribuido en ranuras, alimentado por corriente continua, que da lugar a los polos de la máquina y que se coloca en el rotor.

b. Un devanado inducido distribuido formando un arrollamiento trifásico recorrido por corriente alterna ubicado en el estator que está construido de un material ferromagnético, generalmente de chapas de acero al silicio.

La estructura del rotor puede ser en forma de polos salientes o de polos lisos como se ve en la figura 1 si el motor tuviese solo un par de polos. [1]

Figura 1. Diferencia entre rotor cilíndrico y de polos salientes [1]

Principio de funcionamientoSi a un alternador trifásico se le retira la máquina motriz y se alimenta su estator mediante un sistema trifásico de corriente alterna se genera en el estator un campo magnético giratorio, cuya velocidad sabemos que es N = 60 f/p donde f es la frecuencia de la red, y p es el número de pares de polos del rotor. Si en estas circunstancias, con el rotor parado, se alimenta el devanado del mismo con corriente continua se produce un campo magnético rotórico fijo, delante del cual pasa el campo magnético del estator. Los polos del rotor están sometidos ahora a atracciones y repulsiones en breves periodos de tiempo, por parte de los polos del estator pero el rotor no consigue girar, a lo sumo vibrará. [2]

Al llevar el rotor a la velocidad de sincronismo, haciéndolo girar mediante un motor auxiliar, al enfrentarse polos de signo opuestos se establece un enganche magnético que les obliga a seguir girando juntos, pudiendo ahora retirar el motor auxiliar. Este enganche magnético se produce ya que el campo giratorio estatórico arrastra por atracción magnética al rotor en el mismo sentido y velocidad. [2]

Circuito equivalenteYa que el motor síncrono es igual físicamente al generador, las ecuaciones básicas de velocidad, potencia y par son las mismas. La única diferencia es que el sentido de flujo de potencia (y por lo tanto el sentido de la corriente de carga) es opuesto para el motor.Según la figura 2 se establece el circuito equivalente para generador síncrono conectado en Y, en la figura 3 se tiene el respectivo equivalente monofásico y la ecuación que se utilizaría para relacionar los términos de la maya seria:

Vφ=EA− jXsIA−RAIAVT =√3∗Vφ

En la figura 4 y 5 se indican los equivalentes trifásico y monofásico respectivamente para una conexión delta, donde la formulación se realiza de la misma manera, teniendo en cuenta que el voltaje generado será el mismo voltaje en terminales y que la corriente de línea se divide entre raíz de 3 para obtener el circuito monofásico.

Figura 2. Circuito equivalente trifásico conexión Y

Figura 3. Circuito equivalente monofásico conexión Y

Figura 4. Circuito equivalente trifásico conexión delta

Figura 5. Circuito equivalente monofásico conexión delta

Determinación de los parámetros del modelo del circuito equivalente en la máquina síncrona. Las características fundamentales de una máquina síncrona se determina mediante un par de pruebas, la primera se lleva a cabo con las terminales del inducido en circuito abierto y la segunda con las terminales del inducido en corto circuito. Las anteriores pruebas se desarrollan a continuación.

Prueba de circuito abierto La característica de circuito abierto representa la relación que hay entre el componente fundamental espacial del flujo del entrehierro y la fmm que actúa sobre el circuito magnético cuando el inducido de campo constituye la única fuente de fmm. Los efectos de saturación magnética pueden observarse de forma clara; así, la característica se dobla hacia abajo con un incremento en la corriente de excitación, mientras que la saturación del material magnético aumenta la reluctancia de los patrones de flujo en la máquina y reduce la eficiencia de la corriente de campo al producir el flujo magnético. Como se observa en la figura 6, la característica de circuito abierto inicialmente es lineal, mientras que la corriente de campo aumenta a partir de cero. Esta sección de la curva se llama línea de entrehierro. Esta línea representa el voltaje característico de circuito abierto de la máquina que corresponde a la operación sin saturación. Las desviaciones de la característica real del circuito abierto son una medida del grado de saturación de la máquina. [3]

Figura 6. Característica de circuito abierto de una máquina sincrónica. [3]

Prueba de corto circuito Es posible obtener una característica de cortocircuito al aplicar un cortocircuito trifásico a las terminales de inducido o armadura en una máquina síncrona. Al operar la máquina a una velocidad síncrona, la corriente de campo se incrementa y puede elaborarse una gráfica de la corriente de inducido frente a la corriente de campo. Esta relación se denomina característica de corto circuito, más claramente se logra observar en la figura 7 donde también se muestra la característica de circuito abierto. [3]

Figura 7. Características de cortocircuito y de circuito abierto de una máquina sincrónica. [3]

La reactancia síncrona no saturada se determina a partir de las características de corto circuito y de circuito abierto. A cualquier valor conveniente de la excitación del campo, con Of en la figura anterior, la corriente del inducido en cortocircuito es O’b, y el voltaje generado no saturado para la misma corriente de campo Oa, como se observa de la línea del entrehierro. Advirtiendo que el voltaje en la línea del entrehierro deberá utilizarse debido a que se considera que la máquina opera en una condición de no saturación. Si el voltaje de línea a neutro corresponde a Oa es Va.ag, por lo tanto, la corriente del inducido por fase corresponde a O’b es Ia,sc, con lo que se llega a que la reactancia síncrona no saturada es [4]

Xs ≈ Va , agIa , sc

Donde los subíndices ag y sc indican las condiciones de la línea del entrehierro y de cortocircuito, respectivamente. [4]

IV. c

A. Realizar la siguiente conexión para la prueba OC

Se realizara el montaje descrito por la figura 8, teniendo en cuenta valores medidos y de placa, para operar adecuadamente la máquina.El campo magnético, se toma en ceros y se va aumentando gradualmente y se realizaran diferente toma de datos los cuales observaremos en la tabla I

Figura 8. Conexión generador síncrono delta prueba circuito abierto

If (mA) Vf (V) velocidad Voltaje (V)0 0 1800 4,05

307,5 27 1800 165387,5 33,5 1800 192,5442,5 38,5 1800 207,5507,5 43,5 1800 219

550 47,5 1800 225605 51,5 1800 232,5660 56,5 1800 240

717,5 61,5 1800 247,5795 68,5 1800 252,5

852,5 73,5 1800 257,5917,5 79 1800 262,5967,5 83,5 1800 264,5

995 88 1800 266,51050 91,5 1800 270

Tabla I. Datos tomados para la prueba de circuito abierto

Con los datos obtenidos en la tabla I se procede a graficar el voltaje en la salida en función de la corriente de campo para obtener la gráfica característica del generador prueba en vacío, dicha curva se muestra en la gráfica 1

0 200 400 600 800 10000

50

100

150

200

250

300 Grafica Caracteristica del Generador sincrono prueba OCC

Corriente de Campo IF (mA)

Colta

je e

n Te

rmin

ales

VT

(V)

Grafica 1. Curva característica del generador síncrono, prueba en vacío.B. Realizar el montaje para la prueba SCC

Se realizara el montaje de la figura 9, se aumentara gradualmente la tensión de campo para la variación de la corriente de campo y se observara la corriente en la armadura hasta que llegue a un 110% de su corriente nominal

Figura 9. Conexión generador síncrono delta prueba cortocircuito

Al realizar mediciones en el montaje descrito en la figura 9, Se obtuvieron los valores de la tabla II, la corriente medida es la corriente IL por lo que se realiza la transformación a la corriente de fase

If (mA) IA (mA)0 6

288,5 251,147350 304,552430 369,504490 430,126550 479,201

607,5 534,049682,5 600,218

750 653,652810 705,252920 798,852

1000 872,4521098 964,0521170 1021,652

Tabla II. Datos tomados para la prueba de corto circuito.

Los datos obtenidos se visualizan en la gráfica 2 la cual corresponde según el marco teórico a l prueba en corto circuito.

0 200 400 600 800 1000 12000.000

200.000

400.000

600.000

800.000

1000.000

1200.000Grafica caracteristica de generador Sincrono prueba SCC


Corr

ient

e de

Arm

adur

a IA

(mA)

Grafica 2. Curva característica del generador síncrono, prueba en corto circuito

Teniendo en cuenta las dos graficas anteriores podemos superponerlas en un solo gráfico y de esta manera obtener los parámetros del generador, en la gráfica 3 se observa la superposición que como se ve en la figura 7 es una imagen similar por lo que las pruebas están bien tomadas; en la gráfica 4 se observa el análisis teórico para encontrar los parámetros del generador síncrono.

0 200 400 600 800 1000 12000

50

100

150

200

250

300

0.000

200.000

400.000

600.000

800.000

1000.000

1200.000Grafico Resultantes de las pruebas OCC y SCC del Generador Sincrono

Prueba OCCCorriente de Campo IF (mA)

Volta

je e

n Te

rmin

ales

VT

(V)

Corr

ient

e de

Arm

adur

a IA

(mA)

Grafica 3. Superposición de las dos pruebas realizadas en laboratorio

C. Parametros del generador sincronico

Grafica 3. Análisis de la superposición de las dos pruebas realizadas en laboratorio

0 200 400 600 800 1000 12000

100

200

300

400

500

600

700

800

Reactancia Sincronica Saturada y No saturada


Reac

tanc

ia S

incr

onica

Xs (

ohm

)

Grafica 4. Valores de la Reactancia sincrónica Saturada y no Saturada

La resistencia de cada devanado de armadura del generador síncrono equivale a 29.1Ω (medido con un óhmetro), y se toma una corriente de campo de 462mA para la realización de los cálculos pertinentes; para este generador podemos encontrar una reactancia saturada del generador y una reactancia no saturada, aquí se va a encontrar estos dos parámetros.

1. Reactancia no saturada del generador que se presenta en la parte lineal de la gráfica desde 0 Amperios hasta casi 0.360 Amperios

Zeq=EAOCC

IASCC= 100

0.140=714.286 Ω

714.2862=X s2+29.12

Xs=√714,2862−29.12= j713.693 Ω

Figura 10. Parámetros no saturados del Generador síncrono

2. Una condición de Reactancia saturada del generador para una condición de corriente de campo de 0.403 Amperios

X=EAOCC

IA SCC= 212

0.403=526 Ω

5262=X s2+29.12

Xs=√5262−29.12= j525.2 Ω

Figura 11.Parametros saturados del generador síncronoEstos valores se pueden corroborar en la gráfica 4, de esta misma grafica podemos evidenciar un valor de reactancia sincrónica no saturada alrededor de los 712 ohmios aproximadamente, este valor se conserva para una corriente de campo menor o igual a los 225mA, y para valores mayores a esta corriente de campo hasta 1050 mA, se tendrán valores decrecientes de la reactancia sincrónica saturada fluctuando entre los 700 y los 300 ohmios aproximadamente.

D. Generador sincrónico con carga (R, L y C) conservando el mismo factor de potencia

1. Carga resistiva Se realizara el montaje de la figura 12 en donde se implementara un circuito con factor de potencia igual a 1, es decir resistivo, en el cual se variara la magnitud de la resistencia provocando un crecimiento de I A.

Figura 12. Conexión generador síncrono delta con carga resistiva.

Teniendo en cuenta la conexión de la figura 12, se buscara variar la carga en el generador (R) para que mantenga un factor de potencia unitario, para ello se implementó dos métodos los cuales son: el método de los dos vatímetros y un cosØ.Al realizar mediciones en el montaje descrito en la figura 12, de corrientes, voltajes, potencia y factor de potencia, Se obtuvieron los valores de la tabla III.

Variación de carga resistivaResistencia (Ω) cos(∅ ) If (A) IØ (A) IL (A) W1 (W) W2 (W) Voltaje (V)

560 1 0,93 0,40414519 0,7 160 155 250504 1 0,91 0,46188022 0,8 173 164 250448 1 0,89 0,51961524 0,9 180 174 250

Tabla III. Datos tomados en la variación de la carga con FP constante.

A partir de los datos obtenidos en la tabla III, se obtuvo el comportamiento fasorial del generador como se muestra en la figura 13, además se observa que se mantuvo un factor de potencia igual a 1.

Figura 13. Diagrama fasorial para conexión generador síncrono delta con carga resistiva.

Para una carga resistiva del 100% (560Ω) se obtuvo un voltaje interno generado de:

EA2=V ∅

2+( I∅∗RA )2

EA=√V ∅2+( I∅∗RA )2

EA=√2502+(0,4∗29,1 )2

EA=250,271


EA=√2502+(0,46∗29,1 )2

EA=250,358


EA=√2502+(0,51∗29,1 )2

EA=250,44

De acuerdo con el voltaje interno generado hallado a partir del diagrama fasorial, se puede observar que EA se mantiene constante puesto que la maquina pendular mantuvo la velocidad (w) constante, además se puede apreciar algunas diferencias debido a que la corriente de cambio decreció en una pequeña magnitud y por lo tanto el flujo, haciendo que decreciera el voltaje interno generado en décimas. En cuanto al voltaje en terminales cuando se incrementa la carga con un factor de potencia unitario este decrece ligeramente.

2. Carga inductiva

Se realizara el montaje de la figura 14 en donde se implementara un circuito con factor de potencia igual a 0,73 en atraso, es decir inductivo, en el cual se variara la magnitud de la resistencia provocando un crecimiento de I A.

Figura 14. Conexión generador síncrono delta con carga inductiva.

A partir de la conexión de la figura 14, se buscara variar la carga en el generador (RL) para que mantenga un factor de potencia en atraso, para ello se implementó dos métodos los cuales son: el método de los dos vatímetros y un cosØ.Al realizar mediciones en el montaje descrito en la figura 14, de corrientes, voltajes, potencia y factor de potencia, Se obtuvieron los valores de la tabla IV.

Variación de carga inductivaResistencia (Ω) Inductiva (H) cos(∅ ) If (A) IØ (A) IL (A) W1 (W) W2 (W) Voltaje (V)

559 1,2 0,73 0,97 0,25980762 0,45 115 30 230477 1 0,73 0,97 0,30022214 0,52 127 33 225388 0,8 0,73 0,97 0,36661742 0,635 145 40 220328 0,6 0,73 0,97 0,4330127 0,75 162 53 210

Tabla IV. Datos tomados en la variación de la carga con FP constante.A partir de los datos obtenidos en la tabla IV, se obtuvo el comportamiento fesoria del generador como se muestra en la figura 15, además se observa que se mantuvo un factor de potencia igual a 0,73.

Figura 15. Diagrama fasorial para conexión generador síncrono delta con carga inductiva.

Debido a que el generador está trabajando con una corriente de campo igual a 0,97 A, presenta una reactancia saturada debido a la ubicación de esta corriente en la figura 3, a parir de esto se calculó la reactancia que presenta el generador en estas condiciones:

Grafica 5. Análisis de la superposición de las dos pruebas realizadas en laboratorio

RA=29,1 ΩCuanto I F=0,97 A

Zeq=EAOCC

IASCC= 265

0.87=304,598Ω

304,5982=X s2+29.12

Xs=√620.32−29.12= j303,205 Ω

Para una carga resistiva de 559Ω y 1,2 H, se obtuvo un voltaje interno generado de:

EA2=(V ∅+ [R A+X S ]∗I∅∗sin(∅))2+( [ RA+ XS ]∗I∅∗cos (∅ ))2

EA=√ (V ∅+[ RA +X S ]∗I∅∗sin (∅ ))2+( [ RA+ XS ]∗I∅∗cos(∅ ))2

EA=√ (230+[ 29,1+303,205 ]∗0,25∗sin(43,11))2+( [ 29,1+303,205 ]∗0,25∗cos (43,11))2

EA=293.118

Para una carga resistiva de 477Ω y 1 H, se obtuvo un voltaje interno generado de:

EA=√ (225+[ 29,1+303,205 ]∗0,30∗sin (43,11))2+( [ 29,1+303,205 ]∗0,30∗cos (43,11))2

EA=302.029


EA=√ (220+[ 29,1+303,205 ]∗0,36∗sin (43,11))2+( [ 29,1+303,205 ]∗0,36∗cos (43,11))2

EA=314.139


EA=√ (210+[ 29,1+303,205 ]∗0,43∗sin(43,11))2+( [ 29,1+303,205 ]∗0,43∗cos (43,11))2

EA=324.856A partir de los datos obtenidos en la tabla IV, se observa que a medida que se adicione carga en atraso (carga de potencia reactiva inductiva) al generador, V ∅ y V Tdecrece de 230V a 210V, respectivamente.

3. Carga capacitiva

Se realizara el montaje de la figura 16 en donde se implementara un circuito con factor de potencia igual a 0,52 en atraso, es decir inductivo, en el cual se variara la magnitud de la resistencia provocando un crecimiento de I A.

Figura 16. Conexión generador síncrono delta con carga capacitiva.

Apartar de la conexión de la figura 16, se buscara variar la carga en el generador (RC) para que mantenga un factor de potencia en adelanto, para ello se implementó dos métodos los cuales son: el método de los dos vatímetros y un Cos(Ø).Al realizar mediciones en el montaje descrito en la figura 16, de corrientes, voltajes, potencia y factor de potencia, Se obtuvieron los valores de la tabla V.

Variación de carga capacitiva

Resistencia (Ω) Capacitancia (uF)cos(∅ ) if IØ IL W1 (W) W2 (W) VL (V)

1873 1 0,52 0,97 0,0831 0,144 10 155 285

1247 2 0,52 0,97 0,1443 0,25 23 68 290

561,33 4 0,52 0,97 0,3233 0,56 35 155 295

268 8 0,52 0,97 0,6350 1,1 74 315 298Tabla V. Datos tomados en la variación de la carga con FP constante.

A partir de los datos obtenidos en la tabla V, se obtuvo el comportamiento fesoria del generador como se muestra en la figura 17, además se observa que se mantuvo un factor de potencia igual a 0,52.

Figura 17. Diagrama fasorial para conexión generador síncrono delta con carga capacitiva.

Para una carga resistiva de 1873Ω y 1uF, se obtuvo un voltaje interno generado de:

EA2=(V ∅−[ RA+ XS ]∗I∅∗sin(∅ ))2+([ RA +XS ]∗I∅∗cos (∅ ))2

EA=√ (V ∅−[ RA+ XS ]∗I∅∗sin(∅ ))2+([ RA+ XS ]∗I∅∗cos (∅ ))2

EA=√ (285−[29,1+303,205 ]∗0,083∗sin(45))2+( [29,1+303,205 ]∗0,083∗cos (45))2

EA=231,321

Para una carga resistiva de 1247Ω y 2uF, se obtuvo un voltaje interno generado de:

EA=√ (290−[29,1+303,205 ]∗0,144∗sin(45))2+ ( [ 29,1+303,205 ]∗0,144∗cos (45))2

EA=218,796

Para una carga resistiva de 561,33Ω y 4uF, se obtuvo un voltaje interno generado de:

EA=√ (295−[29,1+303,205 ]∗0,32∗sin (45))2+( [ 29,1+303,205 ]∗0,32∗cos (45))2

EA=190,294Para una carga resistiva de 268Ω y 8uF, se obtuvo un voltaje interno generado de:

EA=√ (298−[29,1+303,205 ]∗0,63∗sin(45))2+( [29,1+303,205 ]∗0,63∗cos (45))2

EA=179,753

De acuerdo a los datos obtenidos en el laboratorio a medida que se adicione al generador carga con factor de potencia en adelanto (carga de potencia reactiva capacitiva), V ∅ y V Tcrece de 285V a 298V, respectivamente.

V. CONCLUSIONES

Se logró verificar por medio de la aplicación de la fórmula de frecuencia vista en la teoría, que la maquina utilizada durante la práctica es una maquina construida con cuatro polos.

Se puede concluir que la maquina síncrona en conexión como generador se debe conectar exclusivamente en una conexión separada y debe ser alimentado su devanado de campo por medio de una tensión dc para que genere un flujo de campo el cual depende del voltaje de excitación, pero no se debe ver afectado por la carga, ya que de este solo dependerá de la velocidad y de la corriente de campo.

La máquina sincrónica se puede utilizar como generador, tanto para alimentar cargas aisladas o para suministrar potencia a la red.

El generador síncrono consta de una igualdad entre la frecuencia eléctrica y la frecuencia angular, es decir, el generador girara a la velocidad del campo magnético a esta igualdad de frecuencias se le denomina sincronismo.

Se puede evidenciar que efectivamente se ajusta a la teoría el concepto de la reactancia no saturada se presenta dentro la parte lineal de la gráfica de voltaje interno generado sobre la recta de la corriente de corto circuito. Y la reactancia saturada después de este punto el cual para nuestro caso empezaba desde 165 voltios hasta 270 aproximadamente. Como se evidencia en la gráfica 4.

La máquina síncrona como generador debe ser manipulada con mucho cuidado, y debe tener unas buenas protecciones para lograr reducir el riesgo de daño en caso de falla, por cualquier evento, como sobretensiones y sobre corrientes. Las cuales pueden dañar el bobinado de la armadura o el bobinado del campo o exceso de temperaturas en la maquinas, lo más conveniente es que estas protecciones logren despejar la falla en cuestión de milisegundos o microsegundos.

Mediante las pruebas de corto circuito y circuito abierto, se logró determinar los valores de corriente de campo, para los cuales se tiene una reactancia sincrónica no saturada estos se deben al rango de (0-225 mA), con un valor de esta reactancia de 712 Ohmios aproximadamente y un rango de corriente de campo para los valores decrecientes de la reactancia sincrónica saturada (226-1050) mA. Esta reactancia sincrónica saturada tendrá valores entre los 700 y 300 ohmios aproximadamente.

VI. BIBLIOGRAFÍA

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[3].S. J. Chapman, Maquinas Electricas, Mexico: McGraw-Hill Interamericana, 2005.

[4].http://es.slideshare.net/maxmaster147/generadores-sincronos-10703749

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