Laboratorio 7 Maquinas Eléctricas

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

Informe. Lab. Energía y Máquinas. Experiencia: “Motor Sincrónico Trifásico”. Fecha experiencia Fecha entrega

: 15/06/10 : 22/06/10

Profesor:

Alumnos:

Eleodoro Rojas.

Gonzalo Quiñones Faúndez. Jonathan Salinas Freire. 0

Índice. Pág. 1).-

Introducción.

2

2).-

Objetivos.

6

3).-

Desarrollo experimental y presentación de resultados.

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3.1.-Armar un grupo motor sincrónico-generador.

7

3.2.- Conectar el motor sincrónico a la red a través de un variac trifásico. Practicar su arranque como motor trifásico de inducción con su campo cortocircuitado. Luego conectar la alimentación al circuito de campo, a fin de sincronizarlo. Medir velocidades en este proceso de arranque.

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3.3.- Sin conectar carga al generador de corriente continua, variar la corriente de campo del motor, a fin de obtener funcionamiento como reactor y como condensador sincrónico. Tomar nota de las corrientes de campo, de armadura y del F.P.

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3.4.- Obtener curvas V (corriente de armadura en función de la corriente de campo), para carga constante de 30 a 60% de la nominal, a voltaje nominal en terminales. Tomar como límite superior para las corrientes sus valores nominales. Como límite inferior, el límite de estabilidad.

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Conclusiones y discusiones.

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4).-

1

1).- Introducción. El motor síncrono. Son un tipo de motor eléctrico de corriente alterna. Su velocidad de giro es constante y depende de la frecuencia de la tensión de la red eléctrica a la que esté sometida y por el número de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo". Figura 1 La expresión matemática que relaciona la velocidad de la máquina con los parámetros mencionados es:

N =

60 ⋅ f 120 ⋅ f = P p

Donde: • f: Frecuencia de la red a la que está conectada la máquina (Hz) • P: Número de pares de polos que tiene la máquina • p: Número de polos que tiene la máquina • N: Velocidad de sincronismo de la máquina (RPM) El motor síncrono no tiene torque de arranque. Para ponerlo en marcha se requiere contar con un enrollado adicional, conformado por una jaula de barras conductoras cortocircuitadas en sus extremos, ubicada en las caras polares del rotor. Este enrollado recibe el nombre de “enrollado amortiguador”. Porque sirve, además, para amortiguar las variaciones de velocidad

dδ , cuando la dt

carga como motor o generador varía. Por consiguiente el motor sincrónico, en realidad “arranca como motor de inducción”. Por razones originadas en la altísima F.E.M.I que aparecería al comenzar el arranque, en el enrollado de campo, éste es cortocircuitado durante el tiempo que el rotor acelera, hasta alcanzar una velocidad cercana a la sincrónica. En esta condición, se abre el cortocircuito del campo y se procede a alimentar este con corriente continua, intentando la sincronización. Para efectuar la sincronización en forma automática, es necesario detectar el valor de δ , electrónicamente, eligiendo el valor más adecuado para la conexión del campo a la fuente de corriente continua.

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Características constructivas. Características del estator Dada la alimentación alterna de la armadura, el estator de la máquina síncrona es muy similar al estator de la máquina de inducción. Características del rotor El rotor de una máquina síncrona puede estar conformado por: • • •

Imanes permanentes Rotor de polos salientes Rotor cilíndrico

Figura 2

Los imanes permanentes representan la configuración más simple ya que evita el uso de anillos rozantes para alimentar el rotor, sin embargo su aplicación a altas potencias se encuentra limitada ya que las densidades de flujo magnético de los imanes no es, por lo general, alta. Adicionalmente, los imanes permanentes crean un campo magnético fijo no controlable a diferencia de los rotores con enrollados de excitación donde se puede controlar la densidad de flujo magnético.

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Dentro de los rotores con enrollados de excitación se tienen los de tipo cilíndrico y los de polos salientes:

Figura 3 (a)Diagrama del estator de una máquina síncrona. (b) Rotor de polos salientes. (c) Esquema de un rotor cilíndrico. (d) Apariencia de una máquina síncrona vista desde fuera. (e) Representación de los enrollados de rotor y estator.

Explicación de la forma de las curvas V. Consideremos inicialmente un motor sincrónico trabajando con un factor de potencia en atraso.

Figura 4 Un aumento de la corriente de campo, aumenta la magnitud de Ef, pero no afecta la potencia real entregada por el motor. La potencia entregada por este cambia únicamente cuando el momento de torsión de la carga sobre el eje cambia. Como un cambio en If no afecta la velocidad del eje nm y como la carga acoplada al eje es inmodificable, la potencia real suministrada es también inmodificable. Por supuesto Vt también es constante, por que la fuente de potencia que alimenta el motor lo mantiene constante. Las distancias proporcionales a la potencia en el diagrama fasorial deben por tanto ser constantes.

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Cuando la corriente de campo aumenta, Ef debe incrementarse, pero solo puede hacerlo deslizándose a lo largo de la línea de potencia constante. Este efecto se muestra en la siguiente figura.

Figura 5 Se nota como a medida que el valor de Ef aumenta, la magnitud de la corriente el inducido Ia, disminuye primero y luego aumenta nuevamente. Para Ef con un valor pequeño, la corriente del inducido esta en atraso y el motor es una carga inductiva. Esta actuando como una combinación de carga inductivaresistiva absorbiendo potencia reactiva Q. Como la corriente de campo aumenta, la corriente del inducido se alineara eventualmente con Vt y el motor parece meramente resistivo. Si la corriente de campo aumenta aun mas, la corriente del inducido se torna adelantada y el motor se vuelve una carga capacitiva. Ahora actúa como una combinación capacitiva-resistiva absorbiendo potencia reactiva negativa –Q. En la siguiente figura puede verse una grafica de Ia vs. If de una maquina sincrónica. Hay varias curvas que corresponden a diferentes niveles de potencia real. Para cada curva se presenta una mínima corriente de inducido con el factor de potencia unitario, que es cuando únicamente se le suministra potencia real al motor. En cualquier otro punto de la curva, algo de potencia reactiva se suministra al motor la suministra el. Para corriente de campo menores que el mínimo valor de Ia, la corriente de inducido esta en atraso, absorbiendo Q. Para corrientes de campo mayores que el valor mínimo de Ia, la corriente de inducido esta en adelanto, suministrando Q al sistema de potencia, como lo haría un condensador.

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Figura 6 Por tanto, controlando la corriente de campo de un motor sincrónico, puede controlarse la potencia reactiva suministrada o absorbida por el sistema de potencia. Cuando la proyección de Ef sobre Vt es mas corta que Vt, el motor absorbe Q y dado que la corriente de campo es pequeña, se dice que el motor esta sub-excitado. En cambio si la proyección de Ef sobre Vt es más grande que Vt, el motor suministra Q al sistema y dado que la corriente de campo es grande, se dice que el motor esta sobre excitado.

2).-Objetivos. Esta experiencia tiene como objetivos fundamentales, los siguientes:

a) Conocer los aspectos constructivos del motor sincrónico trifásico. b) Estudiar experimentalmente el comportamiento de una máquina sincrónica funcionando como motor y como condensador sincrónico.

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3).- Desarrollo experimental y presentación de resultados. En este apartado se presentarán los procedimientos, la implementación de los circuitos a estudio y la presentación de resultados de estos mismos, de la experiencia realizada en el laboratorio de energía y máquinas correspondiente a un “Motor Sincrónico Trifásico”. A continuación se presentan los ítems correspondientes a la guía de estudio.

3.1.-Armar un grupo motor sincrónico-generador. Procedimiento: En el laboratorio se montó el grupo motor sincrónicogenerador de corriente continua, a partir del esquema presentado en la guía de laboratorio. En la figura 7, se presenta la disposición de los dispositivos, y en la figura 8, el esquema de conexión de estos, con el objeto de realizar el punto 3.4, señalado a continuación.

Figura 7

M o to r S in c ró n ic o 3 8 0 [V ]; 1 5 0 0 [R P M ] ; 2 [H p ]; I f = 1 .4 5 [A ]

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Generador CC

Figura 8- Esquema de conexión realizado en el laboratorio.

3.2.- Conectar el motor sincrónico a la red a través de un “Variac” trifásico. Practicar su arranque como motor trifásico de inducción con su campo cortocircuitado .Luego conectar la alimentación al circuito de campo, a fin de sincronizarlo. Medir velocidades en este proceso de arranque. Procedimiento: Primero se conectó el motor sincrónico a la red a través un variac trifásico. Luego se practicó su arranque como motor trifásico inducción con su campo cortocircuitado, previamente ajustando la corriente campo cercano al valor nominal ( I f = 1A ). A continuación se abre

de de de el

cortocircuito del campo y se procede a alimentar a este con corriente continua, intentando sincronizarlo.

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3.3.- Sin conectar carga al generador de corriente continua, variar la corriente de campo del motor, a fin de obtener funcionamiento como reactor y como condensador sincrónico. Tomar nota de las corrientes de campo, de armadura y del F.P. Procedimiento: Primero no se conectó la excitación del generador de corriente continua, ni se conectó su circuito de armadura. Con el motor sincrónico funcionando se ajustó la corriente de excitación a un valor mínimo tal que la corriente de armadura sea igual a 4 amperes máximo. A continuación se aumentó la corriente de excitación por pasos de manera que I a cambie por pasos de 0.5 A hasta que I a vuelva a ser 4 A. En particular se obtuvo el punto mínimo de I a .

Figura 9 A continuación se presenta la tabla nº 1, que es obtenida a partir de las mediciones realizadas en el laboratorio:

V [V]

N [ rpm ]

380 380 380 380 380 380 380 380 380 380

1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500

If

[A]

0.07 0.22 0.40 0.53 0.65 1.01 1.35 1.50 1.62 1.81

Ia [A]

Ib [ A ]

Ic [A]

I X [A]

cos ϕ

4.43 3.72 2.75 2.20 1.58 0.41 1.71 2.37 2.80 3.8

4.3 3.55 2.62 2.04 1.40 0.46 1.90 2.58 3.00 3.78

4.35 3.57 2.64 2.07 1.44 0.41 1.89 2.52 2.93 3.73

4.36 3.61 2.67 2.10 1.47 0.43 1.83 2.49 2.91 3.77

0.4i 0.5i 0.7i 0.8i 0.9i 1 0.9c 0.8c 0.7c 0.6c

Tabla nº 1 9

Gráfico nº 1

Corriente de campo del motor(Ifn) vs corrinete de armadura promedio(Ian)

motor síncrono en vacío

4,5 4 3,5

IFn [A]

3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0

0,5

1

1,5

2

I a n[A]

Observaciones. La curva tiene dos comportamientos; para valores menores a la corriente de armadura igual a 0,43[A] en promedio, la curva es decreciente, al aumenta la corriente de excitación (la de campo) la corriente de armadura decrece desde su valor máximo. En este tramo el factor de potencia aumenta hasta su valor máximo y es inductivo. Luego la curva alcanza su valor mínimo, tal como se indico en el enunciado. Este valor se obtiene para un valor de factor de potencia igual a 1. A posterior, la curva sufre una deflexión y comienza aumentar la corriente de armadura por fase a medida que se sigue aumentando la corriente de excitación, solo que el coseno del ángulo comienza a decrecer y es capacitivo.

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3.4.- Obtener curvas V (corriente de armadura en función de la corriente de campo), para carga constante de 30 a 60% de la nominal, a voltaje nominal en terminales. Tomar como límite superior para las corrientes sus valores nominales. Como límite inferior, el límite de estabilidad. Procedimiento: A continuación se realizarán las curvas V, utilizando similar procedimiento a lo realizado en el ítem anterior, con la salvedad que se conecta este motor una carga constante, primero a un 30% y luego a un 60% de su valor nominal. Tomando en consideración que la corriente no sea superior a la corriente nominal y que no sea menor que la corriente de estabilidad.

Figura 10 Como PnEJE = 2 HP • •

Para el caso de 30% de la carga nominal:

0.3PnEJE = 0.6 [ HP ] = 0.6 ⋅ 746 = 447.6 [ W ]

Pero como TEJE30%

Pout

447.6 = 2.85 [ Nm ] ωs 1500 2π 60 = 2.85 [ Nm ] = 3 ⋅ Fkgf ⇒ Fkgf = 0.95 ≅ 1 [ kgf ]

TEJE30% =

=

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Por lo tanto las mediciones se hacen con la balanza marcando 1 [ kgf ] , que corresponde a un 30% de la carga nominal. A continuación se presenta la tabla nº 2, que es obtenida a partir de las mediciones realizadas en el laboratorio:

If

[A]

0.54 0.66 0.77 0.86 0.99 1.30 1.67 1.80 1.91 2.05 2.17

Ia [A]

Ib [ A]

Ic [ A]

I X [A]

F [ Kgf ]

cos ϕ

4.16 3.45 2.96 2.47 1.92 1.10 1.96 2.56 3.00 3.47 4.10

4.34 3.61 3.17 2.71 2.21 1.28 1.90 2.42 2.90 3.33 3.90

4.26 3.56 3.07 2.56 2.03 1.07 1.91 2.50 2.92 3.40 4.05

4.25 3.54 3.10 2.58 2.05 1.15 1.92 2.50 2.94 3.40 4.02

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

0.5i 0.6i 0.7i 0.8i 0.9i 1 0.9c 0.8c 0.7c 0.6c 0.5c

Tabla nº 2 •

Para el caso de 60% de la carga nominal:

0.6 PnEJE = 1.2 [ HP ] = 1.2 ⋅ 746 = 895.2 [ W ] TEJE60% =

Pout

ωs

Pero como TEJE30% = 5.7 [ Nm ] = 3 ⋅ Fkgf

=

895.2 = 5.7 [ Nm ] 2π 1500 60 ⇒ Fkgf = 1.9 ≅ 2 [ kgf ] Por lo tanto las

mediciones se hacen con la balanza marcando 2 [ kgf ] , que corresponde a un

60% de la carga. Luego la tabla nº3 obtenida en el laboratorio es:

If

[A]

0.67 0.78 0.89 1.02 1.34 1.69 1.81 1.91 2.08

Ia [A]

Tabla nº 3 Ib [ A ] Ic [ A ] I X [ A ]

4.06 3.40 2.91 2.40 1.98 2.55 3.02 3.48 4.13

4.29 3.63 3.18 2.62 2.07 2.48 2.92 3.35 4.03

4.15 3.50 3.07 2.50 1.90 2.47 2.96 3.36 4.05

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4.17 3.51 3.05 2.51 1.98 2.48 2.97 3.40 4.07

F [ Kgf ]

cos ϕ

2 2 2 2 2 2 2 2 2

0.6i 0.7i 0.8i 0.9i 1 0.9c 0.8c 0.7c 0.6c

Gráfica nº 3

IF vs I a promedio motor síncrono en carga

4,5 4 3,5

IF [A]

3 2,5

30% de la carga

2

60% de la carga

1,5 1 0,5 0 0

0,5

1

1,5

2

2,5

I a promedio [A]

Observaciones.

El comportamiento en carga es muy similar que en vacío, solo que los valores mínimos alcanzados para la corriente de excitación son mayores. A medida que se aumenta la carga esta curva comienza a aplanarse, y estas a su vez, se sobreponen a las de menor carga, esto se muestra mediante la flecha señalada.

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4).- Conclusiones y discusiones. En este informe se presentó lo realizado en el laboratorio de máquinas y que está explicito en la guía de laboratorio del tema 7” Motor a inducción trifásico”.

A continuación el desglose de cada uno de los ítem pedidos.

En primer lugar, se hizo partir un motor sincrónico conectado a la red. Al hacer partir este se cortocircuitaron los terminales de la fuente DC conectada, que genera la corriente de campo, debido a que este motor no tiene torque de arranque, entonces, este dispone constructivamente de un enrollado adicional, conformado por una jaula de barras conductoras cortocircuitadas en sus extremos que permiten amortiguar la velocidad cuando la carga del motor varía. Por consiguiente, este motor en realidad arranca como motor a inducción. Este procedimiento se utiliza debido a que en el arranque se originan altísimas F.E.M.I en el enrollado de campo, a medida que el rotor acelera hasta alcanzar una velocidad cercana a la sincrónica. No se procedió a medir las velocidades de partida, ya que se puso énfasis en la partida de este motor y no en las condiciones de partida. En segundo lugar, se hizo variar la corriente de excitación del motor, en forma creciente con el objeto de obtener la corriente de armadura promedio y el factor de potencia involucrado. Se observo que el motor se comporto primero como un reactor, ya que los factores de potencia fueron inductivos(consumiendo potencia reactiva) y luego se comporto como un capacitor debido al factor de potencia medido, es decir, este motor inyecto potencia reactiva al circuito. Esta curva generada es una curva característica de este motor y es denominada curva V en vacío. El valor mínimo de la corriente de armadura fue de 0.43 [A], que corresponde a cuando el motor es alimentado por potencia activa. Y por último lugar, se determinó la curva V para una carga del 30% y 60% nominal, se concluye que para valores bajos de excitación la máquina es inductiva, por lo tanto, se dice que el motor esta subexcitado y que este absorbe potencia reactiva.

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Para el factor de potencia igual a uno la corriente es mínima. Se puede observar a partir de la gráfica que los puntos de mínimo se comienzan a desplazar hacia la derecha, porque a mayor carga más es la reacción del inducido, por lo tanto, se necesita aumentar la excitación. Para valores más grandes de excitación la máquina se comporta como un condensador o mejor dicho la máquina es capacitiva, entonces suministra potencia.

Para muy bajos valores de excitación, para cada estado de carga, llega a un punto que la fuerza de atracción magnética no es suficiente para mantener al rotor ligado al campo rodante, la máquina se desengancha y se detiene, estos puntos determinan el límite de estabilidad.

En definitiva se cumplieron todos los objetivos planteados en la guía.

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