INFORME FINAL - Ensayo N°3: El Generador Síncrono en Operación

 

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

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INFORME FINAL - Ensayo N°3: El generador síncrono en operación CURSO:

LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS III.

CÓDIGO:

EE243

SECCIÓN:

“N”

PROFESORES:

GUTIERREZ PAUCAR AGUSTIN

 

MEDINA RAMIREZ JOSE INTEGRANTES: Moisés Peralta Rojas

20152092J

Luis Rodrigo Castro Herrera

20142153F

Luis Martin Llanos Llontop

20142644J

Juan Antonio Vela Correa

19977212D

Christian Montero Paucar

20141348H

Cesar Preciado Heredia

20142628D

GRUPO 2 2019-I 1

 

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Experiencia Nº 3: EL GENERADOR SÍNCRONO EN OPERACIÓN  Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad Nacional Nacional de Ingeniería  Lima, Perú

INTRODUCCIÓN En este experimento, utilizaremos el Grupo Brown Boveri, que simula a una pequeña central y el Motor Schrage, como elementos principales, el motor se usará como carga, para estudiar los  principales problemas problemas en la operación de u un n generador síncrono.

I. OBJETIVO:   Estudiar de forma práctica a los

 principales problemas de operación sincrónica y algunos dispositivos de regulación automáticos, característicos de pequeñas centrales.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO: 1.  Motor SCHARGE: El motor Schrage es esencialmente una combinación de motor de inducción de rotor  bobinado y convertidor de frecuencia. Es una máquina que se utiliza para el control de velocidad. Puede regular dentro de ciertos límites, esto se consigue con la introducción de una f.e.m. adicional en el circuito secundario de la máquina de inducción, la cual debe tener orientación con respecto a la

 proporciona al primario con la ayuda de 3 anillos colectores. El devanado secundario está en el estator. Aparte de la primaria y la secundaria, existe un tercer tipo de bobinado denominado bobinado terciario que está conectado al conmutador. El primario y el terciario están alojados en las mismas ranuras del rotor y se acoplan mutuamente. Los terminales del devanado secundario están conectados al conmutador a través de tres conjuntos de cepillos móviles A1 A2, B1 B2 y C1 C2. La posición del cepillo se  puede cambiar mediante una rueda provista en la parte trasera del motor. El desplazamiento angular entre los cepillos determina la fem inyectada en el devanado secundario que se requiere para controlar la velocidad y el factor de potencia.

f.e.m. principal. Consideramos Consideramos que el voltaje adicional introducido debe ser de la misma frecuencia que la f.e.m. principal. La introducción del voltaje adicional se hace a través de escobillas cuya posición indica la intensidad de esta f.e.m., así como también la orientación con respecto a la f.e.m.  principal, obteniéndose para el caso de un voltaje en oposición introducido una disminución de velocidad y viceversa. El motor Schrage puede tratarse como un motor de inducción de polifase invertido. A diferencia del motor de inducción, el

Fig1: Motor SCHARGE

devanado primario del motor Schrage está en el rotor. El suministro trifásico se 2

 

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2.  Principio de Funcionamiento: F uncionamiento: En condiciones de parada debido a las corrientes de tres fases que fluyen en el devanado primario, se produce un campo giratorio. Este campo giratorio corta el secundario con una velocidad síncrona n. Por lo tanto, de acuerdo con la Ley de Lenz, el rotor girará en una dirección para oponerse a la causa. Por lo tanto, el rotor gira en dirección opuesta a la dirección de rotación del campo de rotación síncrona. Ahora el campo del espacio de aire está girando a la velocidad de deslizamiento n s n r con respecto al secundario. Por lo tanto, la fem recogida por los cepillos estacionarios tiene una frecuencia de deslizamiento y, por lo tanto, es adecuada para la inyección en el secundario.

3.  Control de Velocidad:

después, luego de que haya cubierto un desplazamiento desplazamiento angular de ρ grados. Por lo tanto, el fasor - E j en este caso se retrasa el fasor - E j en el caso b en un ángulo ρ. El diagrama de fasores para los dos casos se muestra a continuación.

Fig3: Diagramas Diagramas fasoriales.

5.  Características de los generadores síncronos bajo carga La diferencia de funcionamiento en vacío al

Esto es posible variando la fem inyectada en el motor, que puede controlarse cambiando el desplazamiento angular entre los dos cepillos. Para comprender el control de velocidad del motor Schrage, entendamos el control de velocidad en WRIM utilizando el método de inyección de fuerza electromotriz.

4.  Control del factor de potencia:

de carga es que existe una composición de flujos, debido a las corrientes que circulan en el inducido, éstas alteran el valor y forma de la tensión inducida. Un incremento de carga es un incremento en la potencia la potencia real o la reactiva suministrada  por el generador. generador. Tal incremento incremento de carga aumenta la corriente tomada del generador. Si no cambiamos la resistencia de campo, la corriente de campo se mantiene constante, y,  por tanto, el flujo ( también también es constante. Además, si el motor primario mantuviera su velocidad ( constante, constante, la magnitud del voltaje interno generado constante.

Fig2: Diagrama del motor

también sería

 Fig. 4: Esquema Esquema del GS bajo carga carga  

Para mejorar el factor de potencia, se introduce un desplazamiento angular de ρ entre el eje de devanado terciario y el eje de

Supongamos un generador síncrono reducido a su mínima expresión: monofásico, bipolar, una espira, y en los

devanado secundario. Ahora el flujo φ corta el eje de enrollamiento terciario un tiempo

siguientes estados de carga:

3

 

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a) Carga inductiva pura 

b) Carga resistiva 

En este caso los flujos aparecen en sentido contrario. Produciendo un efecto desmagnetizante, es decir que los flujos se restan; y además produciendo que los polos inducidos de igual nombre estén enfrentados.

El flujo producido por los polos del rotor y el producido por las corrientes del inducido están desfasados. desfasados. Generando así una distorsión del campo resultante.

 Fig. 7: Esquema Esquema del GS y desfasaje desfasaje de flujos  flujos 

 Fig. 5: Esquema Esquema del GS y resta resta de flujos  flujos  supongamos que colocamos una carga con una f.d.p. en atraso y le adicionam adicionamos os otra con el mismo f.d.p.; podemos observar que el valor de

aumenta

pero mantiene

el

Si tuviéramos un generador síncrono con una carga resistiva, le aplicamos otra con el mismo f.d.p. (f.d.p.=1), y teniendo en cuenta las mismas restricciones que en el caso anterior, podemos observar en el diagrama fasorial que ligeramente.

el el

valor

de

decrece

mismo ángulo de desfase con respecto a entonces tenemos un incremento en el valor de que como ya dijimos antes, debe conservar el mismo ángulo de desfase con respecto a y ya que el valor de constante, entonces se produce

es una

disminución en el valor de tal como se muestra en el siguiente si guiente diagrama fasorial.

 Fig. 8: Diagrama Diagrama fasorial del del GS con con Carga  Resistiva    Resistiva

c) Carga capacitiva pura  En este caso los flujos tienen igual sentido. Dando como consecuencia un efecto magnetizante, es decir que los flujos se van a sumar; y los polos inducidos contrarios enfrentados.

 Fig. 6: Diagrama Fasorial del GS con Carga Inductiva  Fig. 9: Esquema Esquema del GS y suma suma de flujos  flujos  4

 

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Del mismo modo que en los casos anteriores, si colocamos una carga con f.d.p. en adelanto, y le agregamos otra con el mismo f.d.p. notamos que el valor de se incrementa realmente, es decir se produce un aumento de la tensión en sus terminales, tal como vemos en el diagrama fasorial.

2160-600-400

RPM,

3

polos,

8/2.2/HP.   ALTERNADOR N°:85627J, RPM:

600/1680, V:115/320, 3.75 kVA.   Estroboscopio digital 0-12500 FPM

FLASHExmin   Carga trifásica resistiva de 220V-20

Amp.   Plano de instalación.   Extensión trifásica de 0-50 Amp.   Pinza Amperimétrica digital 0-60

Amp.

 Fig.10: Diagrama Fasorial del GS con Carga Capacitiva  Capacitiva 

d) Carga R-L 

IV. PROCEDIMIEN PROCEDIMIENTOS: TOS:

En este caso los flujos están desfasados un ángulo queen depende de la carga del generador; consecuencia, se produce un efecto desmagnetizante, la suma vectorial de los flujos es menor; y los polos de igual nombre enfrentados, se rechazan apareciendo un momento resistente.

 Fig 11: Esquema del del GS y suma vectorial vectorial de  flujos  flujos    Esquema

  Grupo BROWN BOVERI   Generador 176-264V, 66Amp, 3phi,

40-60 Hz, Cosφ Cosφ 0.8, 20-30kVA.   Motor 110V, 198-296 Amp, 1200-

1800 RPM. SCHARGE

 

RECONOCIMIENTO

DEL

EQUIPO. Antes de poner en marcha el sistema Brown Boveri, se debe tomar nota lo siguiente:   La

estructura general de la instalación a partir del diagrama de conexiones (planos de instalación) i nstalación)   Las características de cada maquina (datos de placa) y su función dentro del conjunto.   La conexión de los reguladores, esto es, a que variable son sensibles y sobre que variable actúan. 

 

OPERACIÓN INDUCTIVA.

CON

CARGA

Poner en marcha el sistema ajustando la frecuencia a 60Hz y la tensión a 220V en el generador síncrono.

III. ELEMENTOS A UTILIZA UTILIZAR: R:

  Motor



(carga

resistencia) Marca AEI, N°: B7536-

Con el interruptor de salida del generador síncrono abierto conectar al motor SCHARGE a los bornes denominados CARGA En el motor SCHARGE, desplazar el manubrio en sentido anti horario para el ajuste del ángulo entre las escobillas en theta=20°.

85626J, 230-400V, 23-15 Amp, 5

 

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A estas condiciones cerra el interruptor para alimentar la carga, observando simultáneamente los transitorios de frecuencia y tensión del generador y los repuestos de los reguladore r eguladores. s.

OPERACIÓN RESISTIVA. 

 

R=24ohm



 

R=40ohm

CON

CARGA

Es necesario medir la corriente de arranque y los valores mínimos de tensión y frecuencia que se alcanzan, asimismo el corriente estable asumido por la carga. Observar nuevamente el fenómeno para otros 2 valores menores de corriente de arranque.

 



OPERACIÓN RESISTIVA.

CON

CARGA

Conectar la carga resistiva trifásico al generador síncrono y repetir los pasos anteriores con 10 y 20 Amp de línea.

IV. RESULTADOS EXPERIMENTALES: RECONOCIMIENTO RECONOCIMIEN TO DEL EQUIPO.

OPERACIÓN CON CARGA RL. 

 

 

Θ=0°

Plano de instalación Brown-Boveri.

Placa Brown-Boveri.

La tensión bajó hasta 120V

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

 

Θ=20° antihorario.

Diagrama de un controlador de tensión típico Después de modelar los elementos de la figura anterior, se tiene:

La tensión bajo hasta 140V  



 

Θ=20° horario.

Diagrama de bloques. Cuya función de transferencia transferencia es:

Aplicando el teorema de valor final, para una entrada Vref en escalón:

55  =  ()  = →0

La tensión bajo hasta 110V

  ∗    ∗   ∗  1 +   ∗    ∗    ∗  

 

Se observa que el valor en estado estacionario de la tensión en bornes dependerá de Ka, KE, Kg, Kr.

VI. CUESTIONA CUESTIONARIO: RIO:

1. ¿Cómo lograría Ud. que el regulador mantenga la tensión a 230 V? (Señale todas las soluciones posibles). Para controlar la tensión en bornes del generador se debe implementar un regulador de tensión, como se presenta en el siguiente esquema: esquema:

Se observa que la tensión en bornes oscila y llega a estabilizarse. estabilizarse.

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 2. SE ÑA L A R D DE E QUE PA PAR R Á ME TR OS DEPENDEN:

2.1 El tiempo de estabilización de respuesta. 2.2 El máximo error estático (o error estable). El tiempo de establecimiento: es el tiempo que demora la respuesta del sistema para estabilizarse dentro de un cierto porcentaje (aproximadamente 2%) de la amplitud de entrada. Dependen de:   Velocidad de respuesta del regulador.   La resistencia, la inductancia de campo y armadura del generador DC. Sabemos que la excitatriz del generador que utilizamos en esta experiencia está constituida principalmente por un Generador de Corriente Continua en Derivación Auto excitado. Por lo tanto, t anto, para poder determinar cómo influyen los parámetros en el tiempo de estabilización y en el máxim máximo o error estático de la respuesta, se debe comenzar haciendo un modelo respectivo del generador DC Teniendo presente asumir en todo momento que la velocidad angular aplicada a este generador es constante.

La ecuación de la tensión en el bobinado excitatriz es:

La tensión en el inductor es:

Con dichas ecuaciones modelaremos el comportamiento comportam iento del generador generador de corriente continua, a continuación, se muestra el diagrama de bloques de este proceso:

Después de haber modelado la excitación  procedemos  procedem os a describir el el comportamiento comportamiento del Generador Síncrono, es decir, encontrar su función de transferencia, para así poder incluirlo en el diagrama de bloques y función de transferencia de la corriente If.

Dividiendo ambas ecuaciones tenemos

De este bloque podemos decir:

La ecuación dinámica del generador auto excitado, está dada por:

Reemplazando en la ecuación general y despreciando el efecto de la tensión remanente tenemos:

Donde Ia = If + Ifg 8

 

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Máximo error estático: de la teoría de control sabemos que el error estático está definido de la siguiente ecuación. Reemplazando tenemos: De la ecuación general de transferencia tenemos:

Llevando la ecuación a la forma: De la teoría de control sabemos sabemos que el tiempo de respuesta de un sistema está dado  por las raíces de la ecuación ecuación caract característica. erística. Para el sistema dado la ecuación característicaa está dada por: característic

Dónde:

Además, sabemos que para este tipo de sistemas podemos definir la respuesta

Identificando la ecuación de error de estado estacionario tenemos. t enemos.

De este resultado sacamos como conclusión que el error estático depende de la velocidad angular Wo, la resistencia del devanado de excitación Rfg, la resistencia de armadura y de campo del generador de corriente continua. 

3. ¿Cómo lograría Ud. reducir las oscilaciones en la tensión producidos a consecuencia de un cambio brusco de carga?

como:

Reemplazando tendríamos:

Como pudimos observar en la pregunta 1, existen oscilaciones significativas en la tensión del generador. Para eliminar las l as oscilaciones de tensión se debe instalar un estabilizador de del sistema de excitación, esto hace que la estabilidad relativa se incremente, como se indica en el siguiente diagrama:

De este resultado sacamos como conclusión que el tiempo de respuesta del sistema está definido por los parámetros de físicos del Generador Síncrono.

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control II, además este tipo de control es el más práctico de implementar debido a su sencillez. Los gobernadores están provistos de controladores con las acciones de control PID. Estos permiten la posibilidad de tener grandes velocidades de respuesta. La acción Diagramatensión de bloques de un regulador de compensado. compensad o. Se debe ajustar kf y Tf apropiadamente antes de implementar implementar el estabilizador.

Respuesta de la Tensión en bornes. Se puede observar en la gráfica que ya no existen oscilaciones significativas, pero todavía se conserva un error de estado estacionario.

derivativa es particularmente útil para el caso de sistemas aislados con plantas pl antas que tienen valores altos de constante de tiempo del agua (más de 3 s). Un juego típico de valores puede ser: K P = 3, K I = 0.7 y K D = 0.5. Es importante mencionar que el uso de alta ganancias K D puede provocar excesivas oscilaciones y hasta inestabilidades, cuando la unidad de generación está conectada a un sistema interconectado con una impedancia externa muy pequeña; en estos casos esta ganancia se ajusta en cero. Las otras dos ganancias se ajustan para reproducir los valores deseados de estatismo transitorio y “reset time”.  time”. 

4. ¿Cómo modificaría Ud. la instalación para mejorar la regulación automática de frecuencia? El grupo BROWN BOVERI instalado en el Laboratorio de Electricidad N°6 carece de una regulación automática de frecuencia, frecuencia,

Diagrama de bloques del gobernador PID

debido a que esa parte del grupo esta inoperativo por lo que las regulaciones hechas en la presente experiencia fueron de carácter manual realizando mediciones con los instrumentos proporcionados para la experiencia. Para resolver esta dificultad de la regulación automática tendríamos que incorporar un Sistema de Regulación de Velocidad que actuaría sobre la Maquina Prima contrastando su velocidad con la referencia para ello se acondicionarían gobernadores como el gobernador PID (Proporcional, Integral y Derivativo) que fue ampliamente estudiado en el curso de 10

 

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V.CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES El modelamiento de los componentes de un sistema de excitación y regulación de tensión permite conocer en qué influye cada  parámetro de los componentes componentes del sistema en la respuesta dinámica. dinámica. Cabe destacar que el sistema no cuenta con reguladores de frecuencia por lo que se debía realizar esta regulación de forma manual. Se observo que, al conectar cargas resistivas e inductivas al sistema de generación, se  produce una caída de tensión (hasta de 100 V) y frecuencia, que podría causar una  perdida de sincronismo en caso existan varios generadores generadores interconectados. interconectados. Es debido a este motivo que se utilizan reguladores automáticos de tensión y de frecuencia, ya que en un sistema de potencia

[2] Fuente [2]  Fuente del navegador: https://www.electrical4u.com/schragemotor-operation-principle-andcharacteristics-of-schrage-motor/ 

[3] Hadi [3]  Hadi Sadaat, “ Power Systems Systems Analisy” Analisy”. [4] K. [4]  K. Ogata, “Ingeniería de Control”.  Control”.  [5] Guia del laboratorio de Máquinas [5] Guia eléctricas III. [6] Apuntes [6]  Apuntes del curso.

real las cargas entran y salen de servicio constantemente. El error en estado estable depende de las ganancias de los componentes del sistema de excitación y regulación de tensión. Para regular el error en estado estable se debe accionar el amplificador, ya que, a más ganancia, menor será el error.  Para disminuir las oscilaciones de tensión del generador síncrono, se debe implementar un estabilizador que conecte la salida del excitador con la entrada del regulador. El control derivativo ejerce una función amortiguante sobre la respuesta al sistema y  permite mejorar la respuesta dinámica del sistema. El controlador PID es una buena opción para controlar fácilmente la regulación de la frecuencia en una central eléctrica, debido a su fácil diseño. 

V.REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: [1] Fuente [1]  Fuente del navegador: https://www.electrical4u.com/schragemotor-operation-principle-andcharacteristics-of-schrage-motor/  11

 

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