Informe Laboratorio 3-Generador Síncrono

Informe N° 3 Máquina Síncrona: Generador

Harold Francisco Mazo Mantilla 223371 Michael Andrés Salcedo Merchán 223381 Juan Pablo Castillo Suarez 222907 Carlos Daniel Peña Sierra 223050 Daniel Alberto Sánchez Tovar 223174 Diego Sebastián Muñoz Pinzón 223156

Profesor: Henry Camilo Torres

Laboratorio de Conversión Electromagnética Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de Colombia 09 de Junio de 2014 Bogotá D.C.

1. Objetivos Como objetivos a superar con la realización de esta práctica, se proponen los siguientes ítems: • • • • •

Identificar y caracterizar las partes del generador síncrono. Caracterizar los devanados, terminales e impedancias respectivas de los devanados del generador síncrono. Obtener la curva característica de corto circuito del generador síncrono. Obtener la curva característica de circuito abierto del generador síncrono. Obtener los parámetros del circuito eléctrico que modela al generador síncrono. 2. Conceptos básicos

A) Generador síncrono: “Los generadores sincrónicos o alternadores son máquinas sincrónicas que se usan para convertir potencia mecánica en potencia eléctrica de ca” [1]. Su principio de funcionamiento consiste en excitar un flujo en el rotor y de esta forma inducir una tensión en el estator. Existen diferentes tipos de generadores síncronos: •

Excitación independiente: excitatriz independiente de corriente continua que alimenta el rotor a través de unos anillos y escobillas rozantes.

•

Excitatriz principal y excitatriz piloto: la máquina principal de corriente continua usa una máquina de excitación independiente como bobinado de campo accionada por el mismo eje.

•

Electrónica de potencia: se rectifica la señal con un rectificador controlado desde la salida trifásica del generador, y desde éste se alimenta en corriente continua el rotor mediante un grupo de contactores (anillos y escobillas).

•

Sin escobillas, o diodos giratorios: en este caso se usa un rectificador no controlado como fuente DC situado en dentro del mismo rotor alimentado en AC por un generador situado también en el mismo eje y cuyo bobinado de campo es excitado desde un rectificador controlado que rectifica la señal generada por el giro de unos imanes permanentes situados en el mismo rotor (que constituyen la excitatriz piloto de AC).

•

Excitación estática: en este caso el devanado de campo del rotor es alimentado desde una fuente de alimentación a un transformador y rectificadores que toman la tensión y corriente de salida del estator. El transformador convierte la tensión de salida a una más baja (30 V aprox.), que se rectifica y aplica al rotor por medio de escobillas y anillos deslizantes.

B) Partes principales de la máquina síncrona:

Figura 1.1. Principales partes de un generador síncrono[2].

Las dos partes principales de un generador son: el rotor y el estator. El rotor que es la parte que realiza el movimiento rotatorio y consta de un devanado de campo (Ver en la Figura 1.1 bobinado de rotor) que tiene como función producir un campo magnético constante que interactúa con el campo producido por el bobinado del estator. También está constituido por unos anillos y escobillas que permiten que el rotor sea alimentando por una fuente DC. El estator es la parte fija del generador y que envuelve al rotor permitiendo así que éste gire en su interior. Al igual que el rotor, posee un bobinado conocido como devanado de armadura que es alimentado por un sistema de tensiones trifásicas. El estator está protegido por una carcasa debido a que es la parte más externa del generador. C) Modelado de generador síncrono (pruebas): En un generador se pueden realizar tres tipos de pruebas: prueba DC, prueba de circuito abierto (o vacío) y prueba de cortocircuito. La prueba DC consiste en conectar una fuente DC en los terminales de cada fase de la armadura haciendo la conexión voltímetro-amperímetro y de esta manera determinar la resistencia de armadura. Esta prueba se realiza de acuerdo con la Figura 1.2.

Figura 1.2. Prueba DC en el generador síncrono.

La segunda prueba, la prueba de circuito abierto se puede observar en la siguiente imagen:

Figura 1.3. Prueba de circuito abierto en el generador síncrono.

Como se puede observar, se desconectan todas las cargas del generador haciendo que se genere una tensión entre los terminales de armadura pero con una corriente de armadura de 0 A. La siguiente imagen muestra el modelado del generador síncrono para la prueba de cortocircuito:

Figura 1.4. Prueba de cortocircuito en el generador síncrono.

En esta prueba lo terminales de armadura se cortocircuitan por lo que la tensión en los terminales será de 0 V y la corriente de armadura llegará a su valor nominal. 3. Descripción de la práctica El laboratorio se desenvuelve en torno a la descripción de la máquina síncrona como generador, teniendo en cuenta aspectos como valores de reactancias y resistencias (impedancia sincrónica) internas de la máquina, mediante la implementación de las pruebas de corto circuito y prueba en vacío, de regulación de tensión y bajo carga (este último para la operación como generador) y ensayos de polaridad. Para ello, de forma inicial se realizaran pruebas que permitirán cumplir con los siguientes objetivos: •

Identificar los bornes de conexión de la máquina: De forma inicial, se caracterizan las borneras disponibles para la conexión, de la relación bornera-devanado (qué bornera pertenece a que devanado). Para ello, se implementará de forma inicial un circuito de baja tensión (15 [V]) a 60 [Hz] conectado a un circuito serie compuesto

•

•

•

•

por un par de bornes y un reóstato, con el fin de determinar qué pares de borneras son un nodo y cuáles pertenecen a un devanado (bobinado): una caída de tensión en el reóstato inferior a la suministrada para la prueba, indicaría que el par de nodos pertenecen a una bobina, de otra forma indicarían un nodo. Cabe notar que en este procedimiento, se debe identificar el devanado de campo, cuya aplicación será vital en la variación de la corriente de campo en las pruebas de corto circuito y circuito abierto. Determinar la polaridad de los bobinados de la máquina: La polaridad de los bobinados se puede determinar mediante la conexión mutua entre dos bobinados de la máquina, posteriormente, se procede a energizar uno de los dos devanados, ante lo cual se mide la tensión que cae en uno de los nodos y, dependiendo del valor de esta tensión respecto de la aplicada, se puede determinar la polaridad de la bobina. Prueba DC: Mediante la implementación de esta prueba, se hace posible la determinación de la resistencia de armadura (RA). Para ello, se aplica una tensión DC a dos de los terminales de la armadura, midiéndose la corriente obtenida y, dependiendo de la configuración de conexión, delta o estrella, se determina el valor de la resistencia de armadura (el valor de 𝑉𝐷𝐶 /𝐼𝐷𝐶 es 2𝑅𝐴 para una conexión estrella y 𝑅𝐴 para una conexión en delta). Prueba de circuito abierto-vacío: La implementación de esta prueba se realiza mediante la desconexión de todos los terminales de carga de la máquina, funcionando a su velocidad nominal, de forma que la corriente de armadura (IA) sea 0 [A]. Hecho esto, la tensión en bornes es la tensión interna generada por la máquina, y variando la corriente de campo (IF) en el devanado de campo desde 0 [A] hasta su valor nominal. Este barrido de datos (hasta la tensión nominal de campo), permitirá obtener tanto la curva característica de circuito abierto, como la tensión interna generada (importante a corriente de campo nominal). Prueba de cortocircuito: La realización de la prueba de cortocircuito se lleva a cabo mediante la ubicación de un corto circuito entre las terminales del circuito de armadura, a partir de la cual, y mediante la variación (nuevamente al igual que en el caso de la prueba de circuito abierto) de la corriente de campo (IA) desde 0 [A] hasta su valor nominal, se procede a medir la corriente por el circuito de armadura (IA, a través del cortocircuito) o de línea (IL, para una conexión delta). Mediante esta variación, se puede obtener la recta característica de cortocircuito (SCC). además de obtener el valor de la corriente de armadura (de línea para conexión delta) a la corriente de campo nominal. Este último parámetro, en conjunto con el de la tensión interna generada (obtenida de la prueba de circuito abierto) y la resistencia de armadura (obtenida de la prueba DC9, permitirán obtener el valor de la reactancia sincrónica. Cabe notar que se puede despreciar el efecto de la resistencia de armadura, pero para efectos de exactitud, se manipulan ambos datos. 4. Resumen de los resultados de las prácticas

Caracterización de la máquina Para la identificación de los bornes mostrados en la figura 4.1.a, se empezó por determinar los parámetros mostrados en la placa de características de la máquina mostrada en la figura

4.1.b, en donde se muestra que la resistencia del devanado de campo es de 47.2 Ω.

(a)

(b) Figura 4.1 a) Borneras de la máquina síncrona. b) Placa de características de la máquina síncrona.

Por tanto el procedimiento que se siguió fue: por medio del multímetro se probó continuidad entre cada par de bornes, en lo que se observó que hay continuidad entre los bornes 1-4, 2-5, 3-6, 7-10, 8-11 y 9-12, además de continuidad entre los bornes inferiores 12, pero esta prueba por el momento da información de la independencia que tienen los bornes. Una vez realizadas las pruebas para la caracterización de los bornes de la máquina (imagen 2.1), se obtuvieron los bornes pertenecientes a cada fase, localizados por pares de bobinas (fase 1 bornes 1-4, 7-10; fase 2 bornes 2-5, 8-11; fase 3 bornes 3-6; 9-12), y al circuito de campo (bornes inferiores 1-2), siendo este último el alimentado con una tensión DC. Para le resistencia del devanado de DC, se obtuvo que la resistencia era aproximadamente 26.2 [Ω].

(a)

(b)

(c) Figura 4.2 Conexiones realizadas para las pruebas: (a) conexión realizada para la prueba de circuito abierto; (b) conexión realizada para la prueba de corto circuito; (c) conexión realizada para la energización del circuito DC de campo.

Hecho esto, se procedió a aplicar las pruebas de circuito abierto y corto circuito al generador (figura 4.2), obteniéndose los resultados de las tablas A.1 y A.2 respectivamente, siendo la tensión de la tabla A.1 la tensión de fase generada empleando los dos devanados de la fase. Mediante estos resultados obtenidos, se procede a obtener los parámetros de tensión de circuito abierto y de corriente de corto circuito, con el fin de caracterizar el circuito interno de la máquina, a través de la implementación de los datos que presenten mayor linealidad, partiendo de la gráfica característica para cada prueba. 5. Análisis de resultados •

Prueba DC:

La realización de la prueba DC, aplicada en a la conexión en Y de los dos devanados en serie de la misma fase, permitió obtener que la resistencia de cada bobina es de 0.4653[Ω], aproximadamente, teniendo en cuenta que se para una conexión en estrella, dicha resistencia es: 𝑉𝐷𝐶 𝑉 0.94 = 2𝑅𝐴 → 𝑅𝐴 = 2𝐼𝐷𝐶 = 2∗1.01 = 0.4653[Ω] 𝐼 𝐷𝐶

𝐷𝐶

•

Prueba de circuito abierto:

Tal como se observa en la gráfica A.1, la relación que se describe entre la tensión de circuito abierto y la corriente de campo, en principio, es lineal, ya que la fuerza magnetomotriz se ejerce en el entrehierro hasta que se produce la saturación en la máquina. •

Prueba de cortocircuito:

La gráfica A.2 muestra la relación lineal de la corriente de cortocircuito con la corriente de campo es lineal, por lo que se muestra que la máquina en operación de cortocircuito no se satura, debido a que la caída de tensión en la máquina es leve por causa de la pequeña reactancia del inducido, teniendo en cuenta que la reactancia es mucho mayor que la resistencia del inducido. Para determinar estos parámetros del circuito, se tiene en cuenta que para una corriente de campo de 0.8 A, la tensión de circuito abierto es aproximadamente 120 V, y la corriente de corto circuito es 18 A. 𝑋𝑠 = 6. •

• • • • • •

𝑉𝑜𝑐 √3

𝐼𝑠𝑐

=

120 √3

18

= 3.85𝛺/𝑓𝑎𝑠𝑒

Conclusiones

Con los parámetros obtenidos de las pruebas realizadas se pueden realizar simulaciones en herramientas computacionales, con las que se puede determinar o predecir el comportamiento de la maquina ante cambios en sus parámetros eléctricos o mecanicos. Estas pruebas o ensayos nos brindan información muy importante acerca de las capacidades que tiene la maquina y la mayor ventaja es que realizarlas no implica grandes costos ni tampoco son pruebas que ocasionen daños a la maquina Se pudo evidenciar que para corrientes bajas de campo, se pueden obtener valores lineales, antes de llegar a la saturación. A partir de este tipo de practicas, se adquiere destreza para conocer las características de las maquinas, aun cuando no se cuenta con su Placa. La importancia que tiene el hallar estos parámetros es que nos permite mediante simulaciones y cálculos conocer los limites de la capacidad de la maquina y no llevarla a puntos de operación inapropiados. Para el ensayo de corto circuito es suficiente con tomar solo dos datos, debido a que se registra una linealidad entre la corriente de campo y la de armadura. Para el ensayo de circuito abierto, se deben tomar varios datos y además hay que tener en cuenta que para valores pequeños de la corriente de campo existe una linealidad respecto a la tensión en los bornes, asi que se puede subir la corriente de campo hasta el limite de saturacion

7. Referencias [1] Máquinas eléctricas. Chapman, S. J. McGraw Hill, 3ra Ed. 2000. Pág. 272. [2] http://www.tuveras.com/maquinaasincrona/rotorbobinado.gif [3] Máquinas eléctricas. Fitzgerald, A. E. McGraw Hill. 1994.

8. Anexos Corriente de campo (𝐼𝐹 ) [A] 0,82

Tensión de fase de circuito abierto (𝑉𝑂𝐶 ) [V]

0,85

120,66

0,9

125,74

0,95

131,75

1

137,52

1,05

141,19

1,10

164,53

1,15

151,84

1,20

155,42

1,25

159,57

1,30

162,92

1,43

168,93

1,54

173,32

1,68

177,59

1,83

181,51

2,00

185,21

117,08

Tabla A.1. Valores característicos obtenidos para la prueba de circuito abierto del generador síncrono.

Corriente de campo (𝐼𝐹 ) Corriente de corto [A] circuito (𝐼𝑆𝐶 ) [A] 0,25

6,4

0,26

6,8

0,29

7,3

0,33

8,2

0,40

10

0,50

12,4

0,65

15,8

0,76

18,5

0,82

19,9

Tabla A.2. Valores característicos obtenidos para la prueba de corto circuito del generador síncrono.

Gráfica A.1. Curva característica del generador síncrono, para la prueba de circuito abierto.

Gráfica A.2. Curva característica del generador síncrono, para la prueba de corto circuito.