INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AGUASCALIENTES

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Ingeniería Eléctrica

MAQUINAS SINCRONICAS Y DE CORRIENTE DIRECTA

Equipo 5

PRÁCTICA 3

“DETERMINACION DE LOS PARAMETROS DE LA MAQUINA SINCRONA”

Alumnos

Toscano Lucero Erick Daniel 12150521

Profesor

M.C. Jose Alejandro Morones Alba

Lugar y fecha de realización

Aguascalientes, Ags., a 02 de Octubre de 2015

Fecha de entrega

Aguascalientes, Ags., a 16 de Octubre de 2015

Instituto Tecnológico de AguascalientesDepartamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

1

Determinación de los parámetros de la maquina síncrona.

INTRODUCCION

Debido a la creciente demanda de la energía eléctrica, los sistemas eléctricos de potencia presentan una amplia evolución y desarrollo en los últimos años y por esta razón es necesario emplear y diseñar procedimientos y estudios que permitan garantizar la entrega de un servicio con calidad.

Los generadores síncronos desempeñan un papel importante en este desarrollo y por esta razón es necesario conocer su comportamiento bajo ciertas operaciones, esto quiere decir por ejemplo, cuando aparecen ciertos detalles o cambios pequeños esto puede ser debido ya sea por la carga, variaciones en el par o por cambios drásticos ocasionados por cortocircuitos los cuales influyen para que cambien sus condiciones de operación. Por esta razón surge la necesidad de diseñar modelos matemáticos que involucren los parámetros que conforman los sistemas de potencia. Los parámetros del generador síncrono son datos que especifica el fabricante y pueden ser comprobados por pruebas convencionales aplicadas a la máquina.

En muchos casos este tipo de ensayos resultan ser poco prácticos y con costos algo elevados debido a que los datos encontrados solo tienen validez para una determinada condición de la máquina y a veces se utiliza equipos costosos y de manera difícil de conseguir. La máquina síncrona es un elemento importante dentro del sistema eléctrico de potencia y por esta razón es necesario estudiar y conocer su comportamiento bajo diversos estados de operación

Dentro de esta práctica se conocerá como calcular y determinar ciertos parámetros que caracterizan a la maquina síncrona mediante el desarrollo de ciertos experimentos y el diseño y uso de una herramienta computacional, también se observaran las diferentes curvas que caracterizan al alternador.

Objetivos.

Con base en la obtención de las diferentes curvas características del alternador, se determinara el valor de:

a) Reactancia síncrona de eje directo.b) Reactancia de dispersión.c) Reactancia de armadura en eje directo.d) Reactancia de armadura en cuadratura.e) Reactancia síncrona en cuadratura. Construcción de una herramienta computacional.

MARCO TEORICO

Principio de funcionamiento de la maquina síncrona.

En las maquinas síncrona se observa el campo rotante, esto quiere decir que un sistema de pares de bobinas dispuestos adecuadamente y al mismo tiempo alimentadas por corrientes trifásicas dan origen a un campo magnético constante y giratorio, como por ejemplo si en su interior hubiera un imán girando a cierta velocidad constante, y esto está relacionado ampliamente con la frecuencia de la tensión que se le está aplicando.

Como generador.

Una turbina o motor diésel acciona el rotor del generador síncrono a la vez que alimenta a él devanado rotorico (devanado de campo) con corriente continua. El entre hierro contribuye a crear un campo senoidal en el entrehierro y este hace generar en los bornes del devanado estatorico (devanado inducido o armadura) una tensión senoidal. Al conectar el devanado inducido una carga trifásica equilibrada, aparece un sistema de corrientes trifásico y una fuerza electromotriz inducida.

Como alternador.

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Determinación de los parámetros de la maquina síncrona.En este caso se lleva la máquina síncrona a la velocidad de sincronismo, pues la máquina síncrona no tiene par de arranque, y se alimentan el devanado rotórico (devanado de campo) con corriente continua y el devanado estatórico (devanado inducido) con corriente alterna. La interacción entre los campos creados por ambas corrientes mantiene el giro del rotor a la velocidad de sincronismo. El motor síncrono no es de utilidad.

Características de vacío.

La característica de vacío de la máquina, es la relación de la tensión en sus bornes, con la corriente de excitación que se hace circular en la bobina del rotor manteniendo la velocidad angular del mismo constante y sin que circule corriente por las bobinas del estator (No entrega potencia). En este caso esta tensión coincide con la fuerza electromotriz inducida por efectos del flujo magnético originado en el rotor. El circuito de vacío es el mostrado en la siguiente figura.

Figura 1. Circuito para prueba de vacío de un generador síncrono

Figura 2. Curva de vacío de un generador síncrono.

De la curva se puede observar que en la primera parte hay una relación entre la corriente de excitación y la fuerza electromotriz, luego aparece el codo de saturación y por último una zona saturada en la cual para un incremento de la corriente de excitación, se logran pequeños incrementos de la tensión. El análisis que se efectúa sobre la máquina se hace dentro de la zona lineal. Esta curva corresponde con la de imanación de la máquina (Para una determinada velocidad del rotor), ya que la tensión es función del flujo y la intensidad de campo magnético es proporcional a la corriente de excitación.

Características de corto circuito.

La característica de cortocircuito es la relación entre la corriente estatórica y la corriente de excitación con los bornes cortocircuitados. Esta prueba se realiza cortocircuitando los bornes del generador a través de amperímetros, y manteniendo la velocidad constante, se varía la corriente de excitación y se efectúan las lecturas de la corriente estatórica, utilizando el circuito de la figura siguiente.

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Determinación de los parámetros de la maquina síncrona.

Figura 3. Circuito para prueba de corto circuito de un generador síncrono.

Dado que la reacción de armadura es desmagnetizaste, debido a que la propia reactancia sincrónica de la máquina actúa de única carga, la relación entre ambas corrientes es lineal, ya que el circuito magnético no se satura, según se observa en la siguiente gráfica.

Figura 4. Curva de corto circuito de un generador síncrono.

Dada la relación prácticamente lineal entre ambas corrientes, con determinar un punto de la misma se puede graficar trazando la recta al origen.

Triangulo de Potier.

Para comprender ciertas características que más adelante se especificaran es necesario conocer el triángulo de Potier y las curvas que lo caracterizan.

El triángulo de portier es un triángulo característico de la maquina síncrona que proporciona dos datos de

interés:

f.m.m. de armadura (fa)

reactancia de dispersión (X1)

Por medio de los ensayos de vacío, se puede determinar la reactancia de Potier (X p), ya que es una parámetro

útil para determinar el comportamiento en estado permanente de la maquina síncrona, la figura 1 ilustra la

construcción del triángulo de Potier.

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Determinación de los parámetros de la maquina síncrona.

Figura 5. Curvas de vacío para determinar el triángulo de Potier

Para realizar la reactancia de Potier se realiza el siguiente procedimiento:

En la curva de factor de potencia cero se ubica “d” como el punto que se obtiene cuando Va es nominal y d’

cuando Va = 0. Por “d” se traza una paralela al eje de la corriente de campo Ie y se copia, de tal modo que:

Ad = a’d’

Por a se traza una paralela a la línea de entrehierro, que al cortarse con la curva de vació de la maquina

determina el punto “b”. por este punto se traza una vertical, que al cortarse con el voltaje nominal de

armadura Va determina el punto C. el triángulo de Potier es entonces b-c-d. La distancia vertical bc, desde el

punto b hasta el voltaje de armadura nominal Va, es igual al producto de la corriente de armadura nominal

por la reactancia de Potier (IaXp).

Reactancias.

La reactancia síncrona de eje directo se obtendrá para un valor de baja saturación a partir de las

características de vacío y de corto circuito para un mismo valor de corriente de campo:

Zd= EoIcc

=[Zd2−Ra2]

Ecuación 1. Reactancia síncrona de eje directo.

La reactancia de dispersión se obtendrá del cateto vertical del triángulo de Potier: longitud del cateto:

¿ Ia∗X 1

Ecuación 2. Reactancia de dispersión.

La reactancia de armadura será:

Xad=Xd−X 1

Ecuación 3. Reactancia de armadura de eje directo.

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Determinación de los parámetros de la maquina síncrona.La resistencia de la armadura en cuadratura se calculara a partir de la teoría de las 2 reacciones de Blondel o

utilizando el método empírico de la AIEE, para la cual se requiere conocer la relación del arco polar al paso

polar medida directamente en la máquina.

Reactancia síncrona en cuadratura con la relación:

Xq=Xaq+ X 1

Ecuación 4. Reactancia síncrona en cuadratura.

MATERIAL Y EQUIPO

o Módulo de suministro de potencia.

o Grupo motor-generador ULE 400.

o Reóstato de campo 950 Ω 1.5 A.

o Módulo de medición de corriente alterna.

o Módulo de medición de corriente directa.

o Módulo de medición de velocidad.

o Carga inductiva trifásico regulador ULE 400.

o Transformador de corriente.

o Factorimetro trifásico.

o Cables de diferentes tamaños.

DESARROLLO EXPERIMENTAL.

Características del motor a colector de corriente alterna. Datos nominales:

Trifásico (tipo SHRAGE)Potencia nominal: 2.8 ÷ 8 KW en servicio continuoVelocidad rotacional a la potencia nominal: 2250 rpm.Regulación de velocidad: 750 ÷ 2250 rpmTensión de alimentación: 220 VCorriente absorbida a la potencia nominal: 32.8 A

Características del alternador trifásico con inductor rotante. Datos nominales:

Potencia en servicio continuo: 7 KVAFrecuencia nominal: 75 HzVelocidad nominal: 1800 rpmTensiones nominales: 220 V ÷ 440 VCorrientes nominales: 18.4 ÷ 9.2 AConexiones inducido: Y serie ÷ Y paraleloNúmero de polos: 4Factor de potencia nominal: 0.8 en retardoTensión de excitación: 220 VCorriente de excitación: 1.15 A

Conexión utilizada: estrella serie.

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Determinación de los parámetros de la maquina síncrona.

Técnica:

1. Conecte el siguiente circuito:

Figura 6. Prueba de vacío.

Antes de energizar el sistema se debe verificar algunos detalles de ajuste en diferentes dispositivos:

o El reóstato de arranque se conecta en serie con la armadura del motor de cd, debe estar en

resistencia máxima, esto para limitar la corriente de arranque en este devanado; ya que esta es de una magnitud alta y peligrosa para el equipo ya que lo puede destruir.

o El reóstato conectado en serie con el devanado de campo del motor de cd debe en resistencia

mínima, para que el motor al arrancar tome la corriente más alta en el devanado de campo, y no en el devanado de la armadura, este controla la velocidad del rotor.

o El reóstato conectado en serie con el devanado de campo del generador debe estar en resistencia

máxima para limitar la corriente en este devanado y hacer que la tensión generada sea de un valor mínimo.

o Antes de iniciar el desarrollo experimental se tienen que tomar en cuenta los equipos de medición a

utilizar cuidando los alcances que manejan y evitar su destrucción, por esa razón se recomienda un análisis previo del circuito.

Para la des energización del circuito debe hacerse lo siguiente:

o Todos los dispositivos tienen que regresar a su posición de inicio, en este caso deben de cumplirse

los primeros tres puntos para que posteriormente si se tiene una carga conectada poder sacarla. Una vez en posición inicial y sin carga abrir el interruptor que acciona el sistema.

Aplique la potencia del primo motor. Lleve al generador a diferentes velocidades.

Aplique la potencia de cd al campo (220 Vcd) y aumente gradualmente la excitación de cd a través del reóstato de campo. Mida y anote en la tabla 1, el voltaje de línea EL para cada valor de corriente de campo If. Calcule el voltaje de fase Ef.

Grafique la curva de saturación en vacío del alternador (Ef en función de la corriente de excitación If).

Disminuya la corriente de campo totalmente y desconecte la fuente de alimentación.

NOTA: para la prueba al vacío se tomaron las mediciones a una velocidad de 1220, 1800 y 2000 R.P.M.

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Determinación de los parámetros de la maquina síncrona.

Tabla 1.

1800 RPMn If EL Ef

RPM A V V

Tabla 2.

2000RPMn If EL Ef

RPM A V V

1220 RPMn If EL Ef

RPM A V V

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Determinación de los parámetros de la maquina síncrona.

Tabla 3.

2. conecte el siguiente circuito:

Figura 7. Prueba de corto circuito.

Aplique la potencia de ca al primomotor. Lleve al generador a su velocidad nominal.

Aplique la potencia de cd al campo (220 Vcd) y aumente gradualmente la excitación de cd a través del reóstato de campo. Mida y anote en la tabla 2, la corriente IL para cada valor de la corriente de campo If.

Grafique la curva característica de corto circuito del alternador (corriente de línea IL en función de la corriente de excitación If).

Disminuya la corriente de campo totalmente y desconecte la fuente de alimentación.

NOTA: para la prueba de corto circuito se tomaron las mediciones a una velocidad de 1220, 1800,

2070 RPM.

1220 RPMn If IL

RPM A A 0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

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Determinación de los parámetros de la maquina síncrona.

Tabla 4.

1800 RPMn If IL

RPM A A 0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Tabla 5.

2070 RPMn If IL

RPM A A 0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Tabla 6.3.- Conecte el circuito:

Figura 5. Prueba a plena carga a factor de potencia cero inductivo.

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Determinación de los parámetros de la maquina síncrona.

Aplique la potencia de ca al primomotor. Lleve al generador a su velocidad nominal.

Aplique la potencia de cd al campo (220 Vcd) y aumente gradualmente la excitación de cd a través del reóstato de campo hasta que el voltaje generado sea de 220 Vca. Incremente la carga hasta que la corriente de línea sea de 18.4 A, el Factorimetro debe indicar un valor aproximado de 0(-). Mida y anote en la tabla 3, la corriente de campo If. Calcule el voltaje de fase Ef.

Elimine gradualmente la carga. Disminuya la corriente de campo totalmente y desconecte la fuente de alimentación.

Tabla 7. Prueba a plena carga a factor de potencia cero inductivo.

4. construcción de una herramienta computacional para determinar las reactancias y el triángulo de Potier.

RESULTADOS Y DISCUSIONES

1. prueba al vacío.

1220 RPMn If EL Ef

RPM A V V1220 0 142 81.983738221220 0.1 208 120.0888561220 0.2 227 131.05851111220 0.3 262 151.26577051220 0.4 291 168.00892831220 0.5 315 181.86533481220 0.6 329 189.94823861220 0.7 340 196.29909151220 0.8 345 199.18584291220 0.9 348 200.91789371220 1 354 204.3819953

Tabla 1. Valores medidos prueba al vacío.

If IL IaA A A

0.92 9.3 0.417

2000RPMn If EL Ef

RPM A V V2000 0 0 02000 0.1 426 245.9512152000 0.2 476 274.8187282000 0.3 510 294.4486372000 0.4 549 316.9652982000 0.5 588 339.4819582000 0.6 621 358.5345172000 0.7 647 373.5456242000 0.8 664 383.3605792000 0.9 680 392.5981832000 1 694 400.681087

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Determinación de los parámetros de la maquina síncrona.

Tabla 2. Valores medidos prueba al vacío.

1800 RPMn If EL Ef

RPM A V V1800 0 243 140.2961151800 0.1 320 184.7520861800 0.2 387 223.4345541800 0.3 418 241.3324131800 0.4 492 284.0563321800 0.5 513 296.1806881800 0.6 549 316.9652981800 0.7 573 330.8217041800 0.8 607 350.4516131800 0.9 610 352.1836641800 1 620 357.957167

Tabla 3. Valores medidos prueba al vacío.

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Determinación de los parámetros de la maquina síncrona.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

50

100

150

200

250

300

350

400

450

122018002000

Grafica 1. Características al vacío.

2. prueba de corto circuito.

1220 RPMn If IL

RPM A A 1220 0 0 1220 0.1 2 1220 0.2 4.3 1220 0.3 6 1220 0.4 8 1220 0.5 10 1220 0.6 12 1220 0.7 14 1220 0.8 16 1220 0.9 18 1220 1 20

Tabla 4. Valores medidos prueba CC.

1800 RPMn If IL

RPM A A 1800 0 2.6 1800 0.1 4 1800 0.2 4.4 1800 0.3 6.2 1800 0.4 8.2 1800 0.5 9.6 1800 0.6 11 1800 0.7 12.4 1800 0.8 13.8 1800 0.9 15.2

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Determinación de los parámetros de la maquina síncrona.

1800 1 16.6

Tabla 5. Valores medidos prueba de CC.

Tabla 6. Valores medidos prueba CC.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

5

10

15

20

25

122018002070

Grafica 2. Características en CC.

2070 RPMn If IL

RPM A A 2000 0 2.33333333 2000 0.1 3.7 2000 0.2 4.4 2000 0.3 6.4 2000 0.4 7.8 2000 0.5 9.16666667 2000 0.6 10.5333333 2000 0.7 11.9 2000 0.8 13.2666667 2000 0.9 14.6333333 2000 1 16