MAQUINA SINCRÓNICA COMO GENERADOR

FACULTAD DE INGENIERIAS LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS 2_______________________________________________________________________________________________

LA MAQUINA SINCRONICA COMO GENERADOR. INTRODUCCION

1.- OBJETIVO

Conocer las partes constitutivas de la máquina sincrónica Comprobar el funcionamiento de la máquina sincrónica como generador

EQUIPO A UTILIZARSE:

Voltímetro A.C.Amperímetro A.C.Motor sincrónico.

2.- INFORMACIÓN Un generador de corriente alterna consta, principalmente, de un circuito magnético,

un devanado de campo de CD, un devanado de armadura de CA y una estructura mecánica e incluye sistemas de enfriamiento y de lubricación. Los devanados de campo y del circuito magnético están dispuestos de manera tal que, al girar el eje de la máquina, el flujo magnético que eslabona el devanado de la armadura cambia de modo cíclico y, por lo tanto, induce voltaje alterno en el devanado de armadura.

J K

La fuerza electromotriz inducida en un alternador es proporcional al flujo por polo () y a la velocidad de la máquina motriz (V).

EA=K..V (ec.1)

La frecuencia del voltaje generado depende de la velocidad (V) y del número de polos (P).

1 (ec.2)

X Y Z

Circuito de Armadura (CA)

U V W

Circuito de Campo (CD)


Debido a la necesidad de mantener la frecuencia constante, el voltaje generado depende únicamente del flujo por polo que a su vez es función de la corriente de excitación.

3.- TRABAJO PREPARATORIO

3.1 Diseñe un circuito para medir la resistencia de los devanados de la máquina sincrónica. Por el método voltímetro – amperímetro

Fig.1 Esquema de la maquina sincronica

Fig.2 Medición de la resistencia en la bobina 1



3.2 Determine el procedimiento experimental (incluya esquemas) para poner en marcha la máquina sincrónica como generador. Incluya artefactos de medida para determinar la corriente de campo, de armadura, la velocidad de la máquina motriz y la frecuencia del voltaje generado.


Fig.5 Esquema de una maquina sincrónica

Fig.6 Esquema de conexión de un voltímetro y un amperímetro

Fig.7 Diseño de una maquina sincronica junto con aparatos de medicion de voltaje AC/DC y corriente AC/DC


Fig.8 forma de conexión de un Frecuencímetro en una fase el generador

Fig.9 frecuencímetro, cuyo caso nos la frecuencia en Hz

Fig.10 medición de la velocidad angular mediante un tacómetro en R.P.M.

3.3 Consulte la forma de cambiar la secuencia de fases del voltaje generado.


ANALISIS DE SECUENCIA DE FASES:

Porque tres fases es el número óptimo, con menos frecuencia se producen asimetrías, y con más fases las ventajas no crecen linealmente con el número de fases, la complejidad del sistema se hace mayor.

¿Qué es la secuencia?

Se denomina secuencia en los sistemas polifásicos, al orden en que se suceden las fases al girar.

Fig.11 sentido de fase positiva(directa) o negativa(inversa)

Si recordamos que, una de las propiedades de los sistemas trifásicos, es la posibilidad de generar campos magnéticos giratorios, a partir de bobinas fijas en el espacio, el sentido de giro del campo magnético dependerá de la secuencia de tensiones aplicada.Los campos magnéticos giratorios nos permiten construir motores y generadores trifásicos.Es importante saber con que secuencia relativa estamos trabajando porque ella define el sentido de giro de los motores trifásicos

Sistema monofásico:

Fig.12 Secuencia en eun siste,a moofasico

Sistema trifásico:


Fig.13 Secuencia en un sistema trifasico

Diferencias entre sistemas monofásicos y trifásicos:

Fig.14 Diferencias entre un sistema monofasico y un sistema trifasico

Secuencia de fase positiva Por convención se toma siempre como voltaje de referencia al voltaje de fase a.Cuando el voltaje de fase b está retrasado del voltaje de fase a 120° y el voltaje de fase c está adelantado al de fase a por 120° se dice que la secuencia de fase es positiva. En esta secuencia de fase los voltajes alcanzan su valor pico en la secuencia a-b-c.Los voltajes de a, b y c representados con fasores son los siguientes:

en donde Vm es la magnitud del voltaje de la fase a.

Secuencia de fase negativa

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fa/3-phase-voltage.svg


Fig.15 Secuencia Negativa

La forma como vamos a cambiar la fase es mediante el uso de un SECUENCIMETRO:

Es un instrumento que nos indica el giro de la corriente trifásica. También se le conoce como fasímetro. Los motores trifásicos conectados en una secuencia en sus tres polos, giran en un sentido. Si se le invierte dos de ellos, cambia el sentido de giro. Este instrumento nos indicará esa secuencia de giro ya que algunos equipos podrían averiarse si se conectan en sentido inverso de rotación.Es un instrumento o dispositivo que ayuda a identificar la secuencia de fases en sistemas trifásicos, este dispositivo no especifica que conductor pertenezca a una fase determinada o sea no te dice quien es R, S o T... Solo te indica la secuencia en función de la conexión que hayas realizado de este. La identificación de las fases realmente es una denominación a los terminales de salida de un generador de corriente alterna obedeciendo a una secuencia estandarizada que es R-S-T. Es de estos bornes que a lo largo del conexionado se lleva la identificación de los cables de las redes eléctricas. Fasímetro es un instrumento encargado de indicar el coseno del ángulo de desfase entre la corriente y la tensión en el sistema medido por este. Y los valores varían de 0a 1 en capacitivo y de 0 a 1 en inductivo.Que yo sepa no hay secuencimetros en media tensión, generalmente las medidas se realizan en baja tensión o en los transformadores de medida.

Fig.16 Control de secuencia de fase

4.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

4.1 Con la ayuda del Instructor, identifique las partes constitutivas de las máquinas bajo prueba.

Los motores asíncronos o motores de inducción, son las máquinas de impulsión eléctrica más utilizadas, pues son sencillas, seguras y baratas. Los motores asíncronos se clasifican según el tipo de rotor, en motores de rotor en jaula de ardilla (o motores con inducido en cortocircuito) y en motores de rotor bobinado o de anillos rozantes.1


Fig. 17 a) Motor jaula de ardilla b) Motor de rotor bobinado1


2Fig.18 Explicativo de partes que constituyen la maquina sincrónica


Fig.19 componentes del motor sincrónico2

COMPONENTES DEL MOTOR SINCRONICO1. Rotor y eje del motor2.Chaveta3.Escudo delantero4.Junta caja de Bornes IP554a.Junta caja de Bornes IP654b.Junta caja de Bornes IP655.Tapa caja de Bornes IP555a.Tapa caja de Bornes IP655b.Tapa caja de Bornes IP656. Tornillos caja de bornes7.Prensaestopa8.Escudo posterior9.Ventilador de refrigeración10.Tapa del ventilador11.Abrazadera del ventilador12.Arandela ondulada de acero para compensación13a.Rodamiento anterior13b.Rodamiento posterior

14a.Carcasa B314b.Carcasa B515.Tornillos capot ventilador16a.Retén anterior16b.Retén posterior17.Tapa exterior del rodamiento delantero18.Tapa interior del rodamiento delantero19.Tapa exterior del rodamiento trasero20.Tapa interior del rodamiento trasero21.Bobinado del estator22.Brida B523.Brida B1424.Placa de bornes con componentes de metal25.Arandela espaciadora26.Espárragos y tuercas 2

4.2 Anote los datos de placa de la máquina bajo prueba.

Fig.20 Ejemplo de datos de placa del motor1

Debido al improvisto de la práctica, no tomamos datos de la placa del motor, pero de antemano este grafico es un práctico ejemplo de cómo es la placa de un motor sincrónico


4.3 Mida la resistencia de los devanados de la máquina utilizando el circuito diseñado en el numeral 3.1.

a) Circuito diseñado para tomar los respectivos valores




Fig.24 Medición de la resistencia en la bobina 3b) Tabla de datos:

Tabla Nº 1 datos de corriente dc en distintos valores de voltajeL1 L2 L3

# PASOS VDC [V] IDC1[A] IDC2[A] IDC3[A]1 10 0,312 0,302 0,3052 12 0,385 0,388 0,3953 16 0,574 0,558 0,556


4.4 Implemente el circuito diseñado en el numeral 3.2. Arranque la máquina y obtenga las condiciones nominales. Mida la corriente de campo, la frecuencia y el voltaje generado.a) Circuito diseñado:



b) Valores encontrados:

Fig.27 datos tomados del programa de control FEEDBACK INSTRUMENT, utilizado en los módulos rojos


Tabla Nº2. Valores nominales encontrados en vacíoITEM DETALLE VALOR

VDC Voltaje DC 24[V]IF Corriente de campo -0,022[A]IA Corriente de Armadura 0,159[A]W Velocidad Angular 3697[RPM]F Frecuencia 60,4[Hz]V ∅ Voltaje Generado 130[V]

4.5 Una vez alcanzadas las condiciones nominales en vacío determine la secuencia de fases del voltaje generado. Haga las conexiones necesarias para cambiar esta secuencia de fases. Anote lo experimentado


5.- INFORME

5.1 Presente los datos de placa de la máquina bajo prueba.

Fig.20 Ejemplo de datos de placa del motor1

Debido al improvisto de la práctica, no tomamos datos de la placa del motor, pero de antemano este grafico es un práctico ejemplo de cómo es la placa de un motor sincrónico1

5.2 Explique en forma clara y concisa el funcionamiento de cada uno de los circuitos implementados (incluya esquemas). Tabule los valores de las magnitudes obtenidas en la práctica.

a) Circuito diseñado para tomar los respectivos valores



b) Tabla de datos:

Tabla Nº 3 datos de corriente dc en distintos valores de voltajeL1 L2 L3

# PASOS VDC [V] IDC1[A] IDC2[A] IDC3[A]1 10 0,312 0,302 0,3052 12 0,385 0,388 0,3953 16 0,574 0,558 0,556

Fig.27 datos tomados del programa de control FEEDBACK INSTRUMENT, utilizado en los módulos rojos

Tabla Nº4. Valores encontrados en vacíoITEM DETALLE VALOR

VDC Voltaje DC 24[V]IF Corriente de campo -0,022[A]IA Corriente de Armadura 0,159[A]W Velocidad Angular 3697[RPM]F Frecuencia 60,4[Hz]V ∅ Voltaje Generado 130[V]

5.3 Con los datos obtenidos en el numeral 4.3 determine la resistencia de los devanados de la máquina bajo estudio.


Tabla Nº 5 datos de corriente dc en distintos valores de voltaje tabulados y calculados:

L1 L2 L3 X1[Ω] X2[Ω] X3[Ω]#

PASOS VDC [V] IDC1 IDC2 IDC3 X1=VDC1/IDC1 X2=VDC2/IDC2 X3=VDC3/IDC3

1 100,31

2 0,302 0,305 32,051 33,113 32,787

2 120,38

5 0,388 0,395 31,169 30,928 30,380

3 160,57

4 0,558 0,556 27,875 28,674 28,777Xi total 91,095 92,714 91,944Xi equivalente 30,36 30,90 30,65Xi medido 20,20 20,30 20,30

5.4 Consulte un método más exacto para determinar la resistencia de los devanados.

Resistencia de devanado Objetivo: Comprobar si hay anormalidades debido a conexiones flojas, conductores rotos, y alta resistencia en los contactos de los Cambiadores de Tap. Método: Se mide usando cualquier técnica con puentes o mediante el método Voltamperimétrico. Cuando se usan puentes, un puente de Wheatstone se usa para resistencias ≥ 1 Ω . Un puente de Kelvin o un micro-ohmiómetro se usa para resistencias < 1 Ω . Equipos: Voltímetro, Amperímetro digital, una fuente de alimentación de 12 V Interpretación: Comparar los valores obtenidos por separado en cada fase con los datos originales medidos en fábrica, o con mediciones anteriores. Las variaciones dentro del 5,00 % son consideradas aceptables. Frecuencias: a) Como mínimo una vez al año para trasformadores cuya tensión nominal del devanado mayor es mayor o igual que 75 kV . b) Como mínimo una vez cada 3 años para transformadores cuya tensión nominal del devanado mayor esta entre 36 kV y 75 kV . Para mayor detalle sobre las técnicas de medición de resistencia de aislamiento véase el Anexo A: Métodos para la medición de la resistencia de devanado. 3 5.5 Justifique el comportamiento de la máquina de acuerdo a lo maniobrado en el

numeral 4.4. Refiérase a la influencia de la velocidad de la máquina motriz y del valor del voltaje de campo en la magnitud y en la frecuencia del voltaje generado.

Tabla Nº7. Valores encontrados en vacíoITEM DETALLE VALOR

VDC Voltaje DC 24[V]IF Corriente de campo -0,022[A]


IA Corriente de Armadura 0,159[A]W Velocidad Angular 3697[RPM]F Frecuencia 60,4[Hz]V ∅ Voltaje Generado 130[V]

Como se pudo observar la influencia de la velocidad de la máquina motriz y del valor del voltaje de campo están relacionados directamente con la magnitud y en la frecuencia del voltaje generado. Por ello en el caso en que vayamos a utilizar una maquina sincronica debemos

5.6 Justifique lo experimentado en el numerales 4.5 y 4.6. Refiérase a la influencia de la velocidad de la máquina motriz, la polaridad del voltaje de campo, el sentido de giro de la máquina motriz en la secuencia de fases del voltaje generado.

La influencia de la velocidad de la máquina motriz, esta relacionada con el factor de potencia de dicha máquina, el mismo que estará en atraso u adelanto, juntamente con el acoplamiento que tiene entre el motor y el generador, ya que siempre existirá un decremento de su rendimiento por esta circunstancia.

La polaridad del voltaje de campo, esta directamente relacionado con el sentido de giro de los devanados

Fig.28 sentido de fase positiva(directa) o negativa(inversa)

El sentido de giro de la máquina motriz en la secuencia de fases del voltaje generado

Fig.29 sentido de giro de la maquinaEste depende exclusivamente del sentido de giro del motor.


5.7 Consulte las formas de onda de voltaje de salida. Como si obtendría de un osciloscopio. Dibuje la forma de onda trifásica.

Forma de onda.- Es la curva que representa en cada instante la evolución de la tensión (o la intensidad).Las magnitudes fundamentales que se van a calcular en un circuito son tensiones y corrientes. Estas magnitudes son provocadas por los elementos activos existentes en el circuito y su valor dependerá de la función que siga la tensión en las fuentes de tensión (o la intensidad en las fuentes de intensidad), además del resto de elementos pasivos que constituyan el circuito.A estas magnitudes le llamaremos señales, así tendremos señales de tensión y señales de corriente. Estas señales que pueden tomarse directamente de las fuentes, o de cualquier punto del circuito estarán constituidas por valores de tensión o de corriente que variarán con el tiempo, cuya representación dará lugar a una curva que obedecerá a una función más o menos compleja. A la forma de esa curva es a lo que llamaremos forma de onda de la señal.Las formas de onda que se pueden presentar en un circuito pueden ser infinitas, pero las podemos agrupar en tres grandes grupos, en los que podremos distinguir las particularidades que aparecen en los circuitos en función del tipo de forma de onda que presenten los generadores del circuito.• Señales con forma de onda constanteLas fuentes que presentan una señal constante en el tiempo, reciben el nombre de fuentes de continua. Así mismo a los circuitos que solo tengan fuentes de continua, les llamaremos circuitos de continua, en los que todas las corrientes y tensiones serán constantes en el tiempo. En este tipo de circuitos solo tendremos resistencias como elementos pasivos.• Señales con forma de onda periódicaA las señales que no son constantes les llamaremos señales variables en el tiempo, las cuales tendrán su correspondiente forma de onda. De las cuales destacaremos en primer lugar las que cumple la condición de ser periódicas, es decir, hay un intervalo de tiempo y por tanto una porción de la onda que se repite continuamente.Ejemplos de formas de onda periódicasSeñal o función periódica.- Es aquella cuya forma de onda va tomando valores que se repiten en el tiempo cada cierto intervalo llamado periodo T.

f (t) f (t T) f (t nT) n = número entero

Fig.30 formas de onda de un generador sincronicoSeñales con forma de onda no periódicaLas fuentes que presentan una señal variable pero no periódica, corresponden a formas de onda complejas, de las que se pueden distinguir formas simples, como cambios de la señal en un tiempo breve. Estos cambios breves provocaran


respuestas en los circuitos que veremos al estudiar el régimen transitorio de los circuitos eléctricos. Como ejemplo de este tipo de señales son: la señal pulso, el escalón, la rampa, etc.4

6.-Comentarios y Conclusiones.

Alexis Parra:

1. El estator es decir la parte que permanece fija o estática al no poner carga adquiere una velocidad llamada velocidad en vacío y al implementar una carga la velocidad del motor aumenta. “El estator de la máquina de inducción estará conectado a la red y, en principio, sin carga mecánica aplicada, alcanzará la velocidad de vacío, próxima a ns; entonces, se conecta el motor de CC y se le hace girar en el mismo sentido que la máquina de inducción, ayudándole y consiguiendo que la velocidad aumente por encima de la de sincronismo.” 5

2. Las pérdidas que se generan en las maquinas eléctricas aplicadas como generadores transforman a potencia eléctrica y posteriormente se la atribuye al entre hierro. “Si se desprecian las perdidas en el entre hierro mecánica es transformada a potencia eléctrica.”6

3. Decimos que una maquina trabaja a plena carga cuando al aplicar carga a todos los devanados “Cuando por los devanados del circuito inducido de la maquina circula corriente (funcione como motor o como generador) decimos que la máquina trabaja en carga.” 7

Cristian Ayala Criollo:

1. Se concluye que en un generador sincrónico, es indispensable tenerlo girando a por lo menos una velocidad pequeña, ya que está conectado a un voltaje DC y una corriente de campo.

2. Se concluye que una maquina sincrónica su sentido de giro depende exclusivamente del sentido de giro del motor.

3. Se concluye que en una maquina sincrónica sea capaz de efectivamente convertir energía mecánica aplicada a su eje, es necesario que el enrollamiento de campo localizado en el rotor de la máquina sea alimentado por una fuente de tensión continua de forma que al girar el campo magnético generado por los polos del rotor tengan un movimiento relativo a los conductores de los enrollamientos del estator. 1

4. La máquina sincrónica se puede utilizar como generador, tanto para alimentar cargas aisladas o para entregar potencia a una red eléctrica compleja. Para incrementar la cantidad de potencia es necesario aumentar el flujo de vapor, agua o gas que está circulando por la turbina de accionamiento. Al incrementa la potencia de accionamiento de un generador que alimenta a una carga aislada, las masas rotantes del sistema se aceleran y aumenta la frecuencia y la fuerza electromotriz. Estas nuevas condiciones de operación deben ser corregidas mediante un controlador de velocidad y tensión que mantengan dentro de los límites tolerables a estas variables.1

5. 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. Éstos se hallan formados por va ios elementos, sin embargo, las partes principales son: el estator, la carcasa, la base, el rotor, la caja de conexiones, las tapas y los cojinetes.1

6. La protección de generadores sincrónicos se deben considerar las condiciones de operación anormal más extremas que en la protección de cualquier otro elemento del sistema de potencia. Las unidades generadoras grandes usan protección de alta rapidez para detectar las fallas severas en el devanado del estator y minimizar el daño.1

7.-Bibliografía.

x[1] MARWIN PRADA. (2009, Agosto) MONOGRAFIAS.COM. [Online].

http://www.monografias.com/trabajos91/motor-electrico-trifasico/motor-electrico-trifasico.shtml[2] CRISTOVAL SAN. (2005, Julio) RINCON DEL BAGO.COM. [Online].

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http://www.minem.gob.pe/minem/archivos/file/Electricidad/normatividad/Gu%C3%83%C2%ADa%20ensayos%20de%20campo%20Equipos%20Elec%20Potencia.pdf

[4] UCO. [Online]. http://www.uco.es/grupos/giie/cirweb/teoria/tema_01/tema_01_05.pdf[5] UNIVERDIDAD DE ALCALA. (2011, Mayo) UAH. [Online]. http://delep.uah.es/antigua/PLANES

%20ANTIGUOS/ITI/2/Maquinas%20Electricas/Apuntes/TME4.pdf[6] INELE,MAQUINA SINCRONICA. (2010, Julio) INELE. [Online].

http://www.inele.ufro.cl/apuntes/Maquinas_e_r/Capitulo3.pdf[7] ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS DE SAN SEBASTIÁN. (2009, Enero) TECNUN

UNIVERSIDAD DE NAVARRA. [Online]. http://www.tecnun.es/asignaturas/SistElec/Practicas/PR_SIS_02.pdf

x

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http://html.rincondelvago.com/motores-de-induccion.html


Bibliografíax

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http://www.monografias.com/trabajos91/motor-electrico-trifasico/motor-electrico-trifasico.shtml

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