Escuela Superior Politécnica Del Litoral Facultad De Ingeniería En Electricidad Y Computación Maquinaria Eléctrica Ii-Eleg1009

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL FACULTAD DE INGENIERÍA EN ELECTRICIDAD Y COMPUTACIÓN MAQUINARIA ELÉCTRICA II- ELEG1009

PARALELO PRÁCTICO, TEÓRICO:

205, 2

NOMBRE ESTUDIANTE:

David Yungan González

TÍTULO DE LA PRÁCTICA:

Generador de inducción

PRÁCTICA #:

3

FECHA DE LA PRÁCTICA:

9 de Noviembre de 2018

FECHA ENTREGA DEL INFORME:

16 de Noviembre de 2018

NOMBRE DEL PROFESOR PRÁCTICO:

Francisco Daza

AYUDANTE PRÁCTICO:

Josselyn Gallo/Walter Mariscal

IT-2018

ALCANCE: En esta práctica se emplea una máquina de inducción trifásica KATO de 1KW, la misma que mediante una maquina DC operando como motor, la cual le energía mecánica para lograr que la máquina de inducción trifásica opere en régimen generador. También se utiliza un banco de compensadores (Capacitores) para aislar la máquina de la red eléctrica y evitar que el desbalance en el factor de potencia del sistema y en las cargas conectadas en el generador.

INTRODUCCIÓN (Fundamentación teórica, ecuaciones): Ecuaciones:

 =

 10   

(1)

En la siguiente curva, se observa que si en una máquina de inducción trifásica la velocidad de su eje (rotor) supera a la velocidad de sincronismo de la ecuación (1), la dirección de su par inducido se invierte y comienza a operar como Generador. La máquina es acoplada al eje de un motor primario externo para superar la velocidad sincrónica del generador.

Ilustración 1: Curva Par-Velocidad de una máquina de inducción con sus regiones de operación: Freno, Motor y Generador.

En la figura se observa también que cuando aumenta el par aplicado al eje del generador el par inducido aumenta hasta un punto máximo (Par Máximo). Si se supera el par máximo la maquina puede llegar a velocidades excesivas y peligrosas. [1] El generador de inducción tiene algunas desventajas o limitaciones; una de ellas es que no posee un circuito de campo (ausencia de corriente de campo) separado que ayude a controlar el voltaje en los terminales del mismo como es el caso de los alternadores. Este voltaje es controlado por un circuito con realimentación del sistema de potencia externo al que se conecta. El generador no produce energía reactiva, sino que consume energía reactiva para que pueda existir el campo magnético estatórico; Por lo tanto, debe estar conectado a una fuente de energía reactiva.  A pesar de estas limitaciones, tiene una ventaja debida a su sencillez; no necesita un circuito independiente de campo o excitación, además que no tiene que girar continuamente a una velocidad constante, siempre y cuando la velocidad mecánica del rotor sea levemente mayor a la de sincronismo. [2] Este tipo de máquinas requieren potencia reactiva para generar sus propios campos magnéticos y ocasionan un desbalance en las potencias del sistema en el que está operando el generador, sin olvidar las penalizaciones que provocan por parte de la empresa encargada de proveer la energía eléctrica al sistema, debido a un bajo factor de potencia. Es posible

aislar la máquina de la red mediante la instalación de un banco de compensadores (Capacitores), como indica la figura (2), los cuales dotan al generador de la potencia reactiva capacitiva para compensar el consumo de reactiva del generador y de la carga conectada a él y evitar los problemas mencionados anteriormente.

Ilustración 2: Generador de Inducción aislado de la red mediante banco de compensadores.

OBJETIVOS: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Operar la máquina de inducción como generador conectado a la red del laboratorio. Operar la máquina de inducción de forma aislada de la red mediante banco de condensadores trifásico en paralelo.  Analizar las caídas de voltaje generado al conectar una carga puramente resistiva. Trazar las curvas de corriente estatorica vs velocidad, potencia activa y reactiva vs velocidad.  Analizar la curva de voltaje terminal del capacitor vs corriente del capacitor.  Analizar la característica externa del generador, es decir, la curva del voltaje en terminales vs la corriente de armadura del motor DC. Obtener la curva de vacío, analizando la superposición de curvas para cada paso del capacitor en la gráfica del voltaje del generador vs corriente de magnetización.

EXPERIMENTO (Procedimiento, lista de equipos y materiales, diagramas de los circuitos): Procedimiento: 1. Máquina de inducción conectada a la red:  Acoplar el eje de la máquina de inducción al eje del motor DC. 1.1 Verificar el sentido de giro de la máquina de inducción conectándola a una fuente trifásica, para así fijar los ejes de ambas máquinas, con sentidos de giro en común. En el anexo 4 se observa el acoplamiento físico entre las maquinas.

1.2 Luego de esto, operar la maquina DC como motor, el cual dotará al generador de energía mecánica; el motor debe girar a velocidades mayores a la de sincronismo de la máquina de inducción. 1.3 Colocar las puntas de prueba del analizador en los terminales del generador y las bobinas de prueba del analizador en las líneas salida entre la carga y el generador. Para esto, mantenga los signos que indican el analizador. 1.4 De igual manera medir las corrientes de armadura y de campo y la fuente DC de alimentación del motor.

Ilustración 3: Diagrama del Acoplamiento de ejes de las maquinas DC e Inducción.

2. Generador de inducción impulsado por Motor DC y conectado en paralelo con banco de capacitores trifásicos. 2.1 Implementar la conexión en delta de los capacitores, recuerde que los capacitores deben tener la misma capacitancia (equilibradas). 2.2 Conectar los terminales del generador en paralelo al banco de capacitores en conexión delta del paso anterior. 2.3 Arrancar el generador y medir su voltaje generado mientras ajusta l a capacitancia de los condensadores hasta que el voltaje sea aproximadamente 208Vac. 2.4 Implementar la conexión en estrella de la carga resistiva, debe recordar que también debe ser una carga equilibrada. 2.5 Conectar la carga del paso anterior a los terminales del generador cuando se encuentre generando 208Vac. 2.6 Incrementar la carga resistiva tratando de mantener la corriente de excitación de los capacitores y la velocidad del motor DC lo más constante posibles.

Ilustración 4: Banco d e Capacitores, Equilibrados.

Lista de Equipos y Materiales 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Máquina Trifásica de Inducción KATO de 1KW. Maquina DC KATO 1KW. Fuente DC. Cables de conexión banana-gancho, banana-banana, gancho-gancho. 3 Phasic Power and Harmonics Analyzer 382095. Tacómetro digital Banco de resistencias (Carga Resistiva)

8. Banco de capacitores conexión delta. 9. Multímetros Digital marca Fluke 117 10. Amperímetro de gancho Digital marca Fluke 323

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS (Datos experimentales, cálculos, gráficos):

En la tabla 1 se presentan los resultados de las maquinas AC y DC respectivamente, en esta prueba se inicia a ambas maquinas en régimen motor conectados a la red, luego se aumenta el voltaje de la fuente DC para que el motor DC logre girar a velocidades mayores a la de sincronismo; al tener estas condiciones la maquina AC opera con deslizamiento negativo, es decir, en régimen generador, suministrando potencia activa y consumiendo potencia reactiva de la red. Máquina AC  (rpm)

Voltaje fase [V]

Motor

Generador

Corriente estatórica Línea [A]

ngulo Impedan. [Grados]

Máquina DC

P. Activa Total

Q. Reactiva Total

S. Aparente Total

[kW]

[kVAR]

[kVA]

Voltaje fuente [V]

Corriente de Campo

Corriente de Armadura

[A]

[A]

1798

206.1

7.02

81.37

-0.37

2.51

2.55

20.17

0.07

7.6

1800

208

7.15

84.26

-0.25

2.55

2.53

50.6

0.38

5.7

1805

207

7.41

83.11

0.26

2.60

2.61

72.4

0.52

12.2

1807

206.8

7.63

79.63

0.49

2.66

2.66

78.6

0.50

13.4

Tabla 1 Mediciones de la máquina de inducción conectada a la red.

En la tabla 2 se presentan los resultados de las maquina AC como generador con el motor DC como fuente motriz, pero esta vez el generador de inducción consume potencia reactiva de un banco de capacitores en delta. Al implementar el banco de capacitores se evita que la maquina extraiga potencia reactiva de la red. Se puede apreciar que, al disminuir la capacitancia del banco, la velocidad mecánica aumenta, pero decae el voltaje generado ………. Máquina AC 

C

(rpm)

[μF]

V Cap [V]

I Cap Ifase=IL/√3

f [Hz]

Voltaje fase [V]

Corriente estatórica Línea [A]

ngulo Impedan. [Grados]

[A]

Máquina DC P. Activa Total

Q. Reactiva Total

S. Aparente Total

[kW]

[kVAR]

[kVA]

Voltaje fuente [V]

Corriente de Campo

Corriente de Armadura

[A]

[A]

1365

50

180

2.39

45.18

180

4.157

92.2

0.029

1.264

1.264

62.5

0.233

4.5

1498

40

171.4

1.88

49.7

171.4

3.27

90.3

0.034

1.034

1.034

64.5

0.257

3.4

1634

30

150.1

1.50

54.27

150.1

2.6

90.2

0.025

0.68

0.68

66.1

0.263

2.47

1930

20

17.7

0.128

0

17.7

0.233

136.1

0

0.004

0.003

75.2

0.297

1.31

Tabla 2: Generación de Inducción en vacío con conexión de capacitores.

En la tabla 3 se presentan los resultados de la maquina AC operando como generador aislado de la red mediante un banco de capacitores, pero al mismo tiempo suministrando potencia activa a una carga resistiva trifásica balanceada en estrella.

Máquina AC  (rpm)

C

f

PRLoad

[μF]

[Hz]

[Watts]

Voltaje fase [V]

Corriente estatórica Línea [A]

ngulo Impedan. [Grados]

Máquina DC P. Activa Total

Q. Reactiva Total

S. Aparente Total

[kW]

[kVAR]

[kVA]

Voltaje fuente [V]

Corriente de Campo

Corriente de Armadura

[A]

[A]

1338

50

44.15

50

176 140.8

1366

50

44.64

150

96.7

2.41

85.3

0.009

0.354

0.356

61.4

0.173

4.3

1350

50

45.12

200

88.7

2.7

89.2

0.006

0.295

0.247

61.7

0.172

4.16

500

0

50

3.46

85.2

0.014

0.735

0.729

61.2

0.242

4.46

Tabla 3: Generación de Inducción con carga y conexión de capacitores.

Gráficos:

Ilustración 5: Curva de Corriente estatórica Vs. Velocidad

En la Ilustración 5 se aprecia la relación lineal entre la corriente en el estator y la velocidad mecánica de la maquina trifásica de inducción. En la parte correspondiente a la máquina de inducción conectada a la red, se aprecia que al sobrepasar la velocidad de sincronismo la maquina opera en régimen generador, donde se al aumentar la velocidad de la máquina, la corriente en el estator también aumenta.

Ilustración 6: Curva de Potencia Activa VS. Velocidad

En la Ilustración 6 se aprecia como la potencia activa de la máquina de in ducción cambia de signo (de positivo a negativo), debido que al superar la velocidad de sincronismo empieza a entregar energía activa.

Ilustración 7: Curva de Potencia Reactiva VS. Velocidad

En la Ilustración 7 se aprecia que mientras se aumenta la velocidad superando la de sincronismo y pasando régimen motor a régimen generador el consumo de energía reactiva aumenta debido a que la maquina necesita reactivos para mantener el campo magnetizante.

Ilustración 8: Curva de Voltaje de Capacitor vs. Corriente de Capacitor

En la Ilustración 8 se aprecia la corriente del capacitor aumenta debido que, al aumentar la capacitancia del banco, la potencia reactiva aumenta y por la tanto la corriente crece.

Voltaje del Generador vs Corriente de Magnetización 70 60 50 40

     s      o        i       t        l      o       V

30 20 10 0 0

1

2

3

4

5

6

7

Amperios

Ilustración 9: Curva del Voltaje del generador vs. Corriente de magnetización

En la Ilustración 9 se aprecia que mientras la corriente de magnetización aumenta, el voltaje del generador aumenta, esto lo como resultado de la implementación del banco de capacitores para compensar la energía reactiva demandada por el generador de inducción.

Voltaje del Generador vs Corriente de Armadura 25

20

15

     s      o        i       t        l      o       V

10

5

0 0

1

2

3

4

5

6

Amperios

Ilustración 10: Curva del Voltaje del generador vs. Corriente de armadura

En la Ilustración 10 se aprecia que el voltaje generado por la máquina de inducción al aumentar hace disminuir la corriente de armadura del motor dc, esto debido la existencia de la carga, puesto que el voltaje disminuye con carga, pero con el banco de compensación es puesto en condiciones ideales según la carga.

CONCLUSIÓN: En esta práctica se comprueba que si hacemos girar la máquina de inducción trifásica a velocidades mayores a la de sincronismo esta opera como generador, donde su logra aislar el generador de inducción de la red, mediante un banco de capacitores, los cuales compensan y dotan a la máquina de la corriente de magnetización necesaria tanto para que genere sus campos magnéticos de operación como para que la carga también reciba su porción de potencia reactiva si así lo requiere. También se presentó las curvas características de la máquina de inducción de las cuales, es posible concluir que, mientras más se aumente la corriente de armadura en el motor dc este le inyectara mayor energía mecánica al eje de la máquina de inducción operando como generador, logrando así entregar mayor potencia, siempre y cuando esté operando con su banco de capacitores, debido al problema mencionado en las preguntas, donde el voltaje del generador decae al conectar una carga, mucho más si esta es inductiva.

BIBLIOGRAFÍA:

[1] S. J. Chapman, Maquinas Electricas 3ra ED., Australia: Mc Graw Hill, 2000 Pg: 470-477. [2] J. F. Mora, Máquinas Eléctricas 5ta ED., Madrid-España: McGRAW-HILL/INTERAMERICA DE ESPAÑA. S. A. U., 2003 Pg: 297, 298.

Plagio total sin considerar las preguntas, títulos y carátulas: 5% Penalidad = %Plagio*0.25 Penalización: 0 1. Resumen: 10/10 2. Introducción (Marco teórico): 8/15 3. Objetivos: 10/10 4. Experimento: 10/15 Procedimiento: 2.5/2.5 Equipos y Materiales: 2.5/2.5 Diagramas: 5/10

5. Resultados: 17/20 Tablas de datos: 5/5 Cálculos: 5/5 Gráficas: 7/10 6. Conclusiones: 7/20 7. Referencias: 5/5 8. Anexos: 0+0.8+0+0+0+0.4 = 1.2/5 TOTAL: 68.2/100

ANEXOS: ANEXO 1: HOJA DE DATOS EXPERIMENTALES FIRMADA Y SELLADA

ANEXO 2: PREGUNTAS 

¿Por qué al girar a velocidad síncrona, el generador de inducción genera un voltaje débil en los bornes del generador? ¿Es este voltaje trifásico? ¿De qué porcentaje con respecto al voltaje nominal por fase es? Justifique su respuesta. Porque la velocidad síncrona es el punto de cambio de régimen de la curva Par inducido vs. Velocidad, en esta condición la maquina síncrona experimenta la transición de motor a generador o viceversa. Es por eso que el la maquina presenta un voltaje en sus bornes ya que para generar simplemente debe superar levemente la velocidad síncrona. Los generadores de Inducción son trifásicos, por tanto, este voltaje generado será trifásico y en la práctica hay un ejemplo de su magnitud y está definida aproximadamente entre el 92 y 94% del voltaje nominal por fase.



¿Por qué, cuando se conecta carga al generador de inducción su voltaje decae? ¿Cómo podría corregir este problema? El mayor problema del generador de inducción es que su voltaje de salida varía mucho con los cambios de la carga, en especial la carga reactiva. Por ejemplo, en el caso de una carga inductiva el voltaje del generador disminuye más rápido que en cualquier otra carga, debido a que los condensadores deben suministrar toda la potencia reactiva necesaria para el generador y para la carga; y cualquier potencia reactiva orientada hacia la carga, retrocede al generador siguiendo su curva de magnetización y produciendo una mayor caída en el voltaje de sus terminales. Para corregir este problema es conveniente instalar un banco de capacitores externos para que suministren la corriente de magnetización correspondiente al voltaje deseado.



¿Qué problema representaría el voltaje generado y su frecuencia a una carga de tipo resistiva? Para una carga resistiva pura la frecuencia del voltaje no representa mayor inconveniente debido a que simplemente esta consume potencia activa, la cual disipa en forma de calor. La magnitud del voltaje si es un problema a causa de la resistencia del material, por ejemplo, un cable conductor que se le aplique un voltaje mayor que el máximo para el que fue diseñado; ocasionaría deterioro del mismo y su aislante.



¿Qué problema representaría el voltaje generado y su frecuencia a una carga sensible con impedancia R+jX? ¿Consumiría más o menos corriente? Para una carga sensible, R+JX, se presenta el problema, debido a que requiere de potencia reactiva, al presentar una reactancia (capacitiva o inductiva), donde ambos casos la reactancia depende de la frecuencia y el voltaje aplicado (generado). 1

1

   =  = 

   =  = 2

Este tipo de cargas consumen energía reactiva y siempre le agrega mayor valor a la magnitud de la potencia aparente total consumida por la carga y por lo tanto mayor corriente. 

Si a los consumidores de un barrio de Guayaquil en las noches se les aumenta la frecuencia un 20% con respecto de la nominal de 60 Hz, ¿qué sucedería con respecto a su consumo? ¿Qué pasaría con el consumo si en cambio se les baja la frecuencia un 30%?  Al aumentar la frecuencia 20%: f = 72 Hz Su consumo aumentaría debido a que la mayoría de los electrodomésticos en los hogares requieren de la existencia de campos magnéticos para operar, los cuales dependen de la

frecuencia de la red eléctrica. Los refrigeradores, acondicionadores de aire, licuadoras, lavadoras, secadoras, bombas de agua, etc. Son considerados motores y la frecuencia mayor a la normalizada de 60Hz provoca una aceleración en la velocidad de operación de los mismos, lo cual requiere de mayor potencia, es decir, mayor consumo. Para el caso de las luminarias, específicamente para las fluorescentes, el flujo de luz emitido se ve interrumpido por fluctuaciones, como, por ejemplo: parpadeos y efectos estroboscópicos.  Al disminuir la frecuencia 30%: f = 42 Hz  Al disminuir la frecuencia, la velocidad de los motores también disminuye, por lo tanto, requerirán menor potencia. A pesar que la mayoría de los electrodomésticos que utilizamos en Guayaquil, son diseñados para operar a 60 Hz, entonces seria no conveniente alimentarlos con una frecuencia tan baja; probablemente no operen en este caso hipotético de menos 30% de la normalizada.

En los generadores eólicos se suele usar este tipo de generador de inducción, ¿cómo han resuelto algunos fabricantes de generadores eólicos el problema de la potencia reactiva?



Estos aerogeneradores disponen de controles de potencia y una unidad de detección de reactiva, la cual incluye una unidad de compensación para inyectar al sistema de generación de la energía reactiva necesaria para generar los campos magnéticos que utiliza para operar.

ANEXO 3:

Ilustración 11: Acoplamiento entre ejes de la máquina de inducción (Izquierda) y la máquina DC (derecha).