Embed Size (px)
Citation preview
FACULTAD DECIENCIAS E INGENIERÍASección Electricidad y ElectrónicaÁREA DE ELECTRICIDAD
GENERADOR SÍNCRONO TRIFÁSICO
Fig.1 Símbolo De Representación De Generador Síncrono Trifásico (Conexión En Estrella Con Neutro)
1. OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA:
Efectuar la descripción general de la máquina síncrona trifásico (generador de corriente
alterna trifásica)
Conocer las características de funcionamiento de la máquina síncrona trifásico
Determinar sus parámetros típicos
2. EQUIPOS E INSTRUMENTOS NECESARIOS
Amperímetro. de 6 – 12 A
Amperímetro de 0 – 15 A
Amperímetro de 0 – 2,5 A
Multímetro digital Fluque 189
Tacómetro digital de o – 2000 R P M
Carga resistiva trifásico, regulable
Carga capacitiva trifásica, regulable
Carga inductiva, regulable
Motor de arrastre (motor primo) de C.C tipo Shunt de 1,5 KW/220V/9 A /1100 RPM
Generador síncrono trifásico) 2KVA/5,5 A /1500 RPM .Excitación 110V/1.6A
Fuente de corriente continua de 0 – 220V regulable para alimentar el motor primo
Fuente de corriente continua 110V para alimentar la excitación del generador
IEE2A5 – LAB. MÁQUINAS ELÉCTRICAS
1
3. GENERALIDADES
Las máquinas síncronas son llamadas así a causa de la relación exacta que se da entre las
frecuencias de la corriente alterna de sus inducidos con la velocidad mecánica de su eje y que
está dada por la fórmula:
N Velocidad angular del eje (RPM)
F Frecuencia de la C.A. del inducido (HZ)
P Número de pares de polos del inducido.
Normalmente toda máquina síncrona puede funcionar como motor o como generador, siendo
la principal diferencia que las máquinas que se van a emplear como motores van provistos de
devanados amortiguadores en las caras polares del inductor para el arranque, y para
compensar las oscilaciones de la fuente de C.A. mientras que en los generadores no tiene
sentido su uso.
Cuando en el estator de un generador se dispone del arrollamiento inducido formado por tres
parejas de bobinas independientes (o un número de bobinas múltiplo de tres, conectadas en
tres grupos independientes de modo que las tensiones producidas sean iguales y los ángulos
de desfase de las tensiones generadas estén entre sí a 120°, la máquina recibe el nombre de
generador síncrono trifásico (alternador trifásico).
El rotor de la máquina está compuesto por un conjunto de arrollamientos que forman el
inductor y que, al ser alimentado por una corriente continua, dan origen a un flujo de valor
constante pero giratorio al ser impulsado o (arrastrado) el rotor por un motor primo
mecánicamente acoplado a su eje. La alimentación (excitación) al rotor es por corriente
continua, se hace mediante anillos rosantes
En la figura 2a y figura 2b puede observar el esquema del principio de funcionamiento del
generador síncrono trifásico.
.
Fig. 2a Fig. 2b
Se suelen unir, generalmente, los tres conductores de cada arrollamiento o fase en un punto,
que se denomina neutro, dado que normalmente, se conecta a tierra y por tanto, está a su
mismo potencial.
2
FACULTAD DECIENCIAS E INGENIERÍASección Electricidad y ElectrónicaÁREA DE ELECTRICIDAD
Este tipo de conexión se le conoce como estrella, en la que existen cuatro conductores a
tres de los cuales se les denomina conductores de línea y al cuarto conductor viene hacer
conductor neutro.
Otro método para conectar los tres arrollamientos de la máquina trifásica es conectarlos en
serie cerrada con el terminal de salida de una fase unida al de entrada de la fase siguiente.
Este montaje se le denomina triángulo y da origen a tres conductores activos, que
también recibe
el nombre de conductores de línea, sin posibilidad de que exista punto neutro.
En la figura 3 puede observarse en (a) La conexión “estrella” y en (b) La conexión “triángulo”
Fig. 3
Los generadores síncronos que se fabrican para generar corriente alterna trifásica las bobinas
(devanados) del estator se colocan dé forma que el número de polos por fase corresponda con los
del rotor y procurando que la tensión generada en cada fase se aproxime lo más posible a una
curva sinusoidal, existiendo un desfase de 120° entre fase y fase.
La combinación de anillos rozantes y escobillas causan algunos problemas en las máquinas
síncronas debido a que aumenta la exigencia de mantenimiento de la máquina por la periodicidad
con que se debe revisarse el estado de desgaste.
Adicionalmente, la caída de voltaje en la escobillas puede ser causa de considerables pérdidas de
potencia en máquinas de alta corriente de campo. A pesar de estos problemas, en todas las
máquinas síncronas de potencias pequeñas se emplean los anillos rosantes con escobillas debido
a que es el método funcional menos costoso de suministrar la corriente al campo del generador
En generadores de grandes potencias se emplean excitatrices sin escobillas para suministrar
la corriente de campo al generador. La excitatriz sin escobillas es un pequeño generador de
C.A, con su circuito de campo montado en el estator y con la armadura montada sobre el eje del
rotor. La tensión trifásica de la excitatriz se obtiene en el rotor y es rectificada a tensión continua
por medio de un circuito rectificador, montado sobre el eje del generador, e inyectada
IEE2A5 – LAB. MÁQUINAS ELÉCTRICAS
3
directamente a su circuito de campo mediante el control de la corriente de campo de la excitatriz
(localizado en el estator), se consigue ajustar la corriente de campo de la máquina principal sin la
utilización de anillos ni escobillas. Como no existen contactos mecánicos entre el rotor y estator, la
excitatriz sin escobillas necesita mucho menos mantenimiento que el sistema de anillos y
escobillas
4. TIPOS DE GENERADORES SÍNCRONOS O ALTERNADORES
De armadura giratoria, que son poco usados y solo en máquinas de baja potencia (el campo
magnético
inductor se coloca en el estator)
De campo giratorio (el campo magnético inductor se coloca en el rotor)
En ambos casos, el campo magnético inductor se consigue mediante corriente continua o
mediante imanes permanentes (poco usual), mientras que la tensión generada en el inducido
(armadura) es alterna y de forma sinusoidal.
Aparentemente no hay diferencias entre el caso de armadura giratoria y el campo giratorio, ya
que las relaciones teóricas son las mismas y dependen principalmente del movimiento relativo
entre el campo y armadura.
Estando el campo magnético en el rotor sólo se precisa de un par de anillos para conducir la
corriente continua, y se obtiene tensión alterna en el estator (inducido).
Mientras que en el caso contrario se precisaría de tres anillos para obtener corriente alterna
trifásica y de cuatro anillos para incluir el neutro.
La preferencia por las que se usa el generador síncrono (alternador) de campo giratorio al de
armadura giratoria es:
Pueden generar voltajes más elevados sin que tengan problemas por falla de aislamiento.
Pueden circular corrientes altas sin que presenten problemas por la formación de arcos, calor
en los anillos rozantes, carbones (escobillas).
Al ser más sencillo el arrollamiento de campo, el rotor puede ser más robusto y emplearse
mayores velocidades de rotación.
5. TIPOS DE ROTOR CUANDO EL CAMPO ES GIRATORIO
El rotor puede ser de:
Polos salientes
Rotor cilíndrico
El rotor es de polos salientes cuando la velocidad del eje transmisor de potencia es de 1800
RPM. o menos, es decir, cuando el rotor es movido por una turbina hidráulica o por un motor
diesel. Con los polos salientes se puede tener un gran número de polos y con eso compensar la
velocidad vaja
4
FACULTAD DECIENCIAS E INGENIERÍASección Electricidad y ElectrónicaÁREA DE ELECTRICIDAD
para poder conseguir la frecuencia deseada. Esta clase de generador se reconoce
exteriormente por ser de un diámetro grande y una longitud axial relativamente pequeña.
Se prefiere emplear un rotor cilíndrico cuando las velocidades de giro son mayores de los 1800
RPM esto es, cuando se emplean turbinas a gas. En este caso no se pueden emplear un gran
número de polos, lo cual esta compensado por las altas velocidades de giro.
Como la capacidad (potencia) de una máquina eléctrica es aproximadamente proporcional a su
volumen.
En los generadores de polos salientes son de gran diámetro y de corta longitud, para una
potencia igual, un generador de rotor cilíndrico (obligado a ser de menor diámetro) será de
mayor longitud
Los rotores cilíndricos deben ser de diámetro pequeño debido al efecto centrífugo para altas
velocidades.
6. METODOLOGÍA DE LA PRÁCTICA
6.1.Medida De Resistencia Del Estator Y Del Rotor
Para determinar la resistencia del estator (inducido) se debe medir la resistencia de sus
bobinas aplicando corriente continua, la intensidad máxima que circule en éste ensayo sea,
aproximadamente, la corriente nominal del inducido (In), midiendo seguidamente mediante un
voltímetro y un amperímetro, la tensión aplicada y la intensidad que circula.
Esta resistencia es por lo común de dos fases, puesto que el punto neutro en un bobinado en
conexión estrella no suele ser accesible. A un si este está conectado en delta (triángulo).
La hipótesis de la conexión en estrella o triángulo conduce a los mismos resultados. La
resistencia en CD por fase es:
R =
R =
Se obtiene la resistencia de CA por fase multiplicando la CD por un factor que varía desde 1,2
hasta aproximadamente 1,8 dependiendo de la frecuencia, calidad de aislamiento. Para
nuestros fines usaremos un factor igual a 1,5 y además corregir a la temperatura 75ºC, al
calcular la resistencia en CA de armadura por fase es:
Para medir la resistencia del rotor, se aplicara tensión continua a sus anillos colectores o
bornes correspondientes efectuaran tres medidas con un voltímetro y amperímetro, para luego
después tomar la media aritmética. Mida y anote en la tabla 1
IEE2A5 – LAB. MÁQUINAS ELÉCTRICAS
5
Bobinas del Estator y del Rotor
Tabla 1
Bobina
s
Terminal
es
Tensión
(V)
Corrient
e
(A)
Resistenc
ia
R=V/I
RC /dev
Estator
S1 - S2
S2 - S5
S3 - S6
Rotor F1 - F2
6.2. Determinación de la curva característica de vacío
El generador objeto de éste ensayo, es un generador síncrono trifásico de inductor móvil, y
sin excitatriz, por lo que la corriente continua de excitación deberá ser suministrada por una
fuente independiente.
Como la frecuencia de la f.e.m. inducida es en función de la velocidad del motor primo
conviene mover (impulsar) al generador mediante un motor de corriente continua, de
velocidad variable, para ajustarla a la velocidad que se desee.
Por característica de vacío en un generador síncrono trifásico se entiende la curva de la
f.e.m. en función de la corriente de excitación, girando el generador a velocidad constante.
Para este ensayo, se realizará un montaje como el de la figura 4.
Se deben realizar tres operaciones:
Mantener constante durante todo el ensayo la frecuencia y, por tanto la velocidad del
motor primo
Medir la tensión remanente que se obtiene del generador (Iex= 0), los distintos valores de
corriente
excitación se conseguirán variando el valor de la resistencia de excitación, hasta obtener
una tensión de salida de 25% mayor que la nominal. Mientras se obtiene la curva
ascendente no se puede, bajo ningún concepto, retroceder; es decir, disminuir la
excitación, ya que ello daría lugar a que se
experimentara una variación anómala en la curva.
Se realizarán 10 valores de lecturas en el voltímetro y en el amperímetro. Una primera
serie de
de ellas subiendo y una segunda serie de ellas bajando después de haber alcanzado el
máximo valor (nominal). Al final, desconectar (Iex) y medir la tensión remanente.
Los resultados obtenidos durante este ensayo se reflejarán en las tablas 2 y 3
6
FACULTAD DECIENCIAS E INGENIERÍASección Electricidad y ElectrónicaÁREA DE ELECTRICIDAD
Fig. 4
Curva De Vacío V = f (Iex) Tabla 2 Tabla 3
V (V) Iex (A) RPM V (A) Iex (A) RPM
En la figurara 5 se representa la forma obtener la curva característica de vacío. En ella se
observan dos tramos el que corresponde a los valores crecientes y el que corresponde a los
valores decrecientes, siendo éste último más elevado a causa de la histéresis del circuito
magnético.
Como se puede observar, la curva característica de vacío tiene la misma forma que la de un
generador de corriente continua. La representación de la saturación magnética no es muy
marcada, dado que no se ha llegado a la saturación total del entrehierro
Fig. 5
IEE2A5 – LAB. MÁQUINAS ELÉCTRICAS
7
6.3. Determinación de la curva característica de cortocircuito
El generador se accionará a la velocidad correspondiente a su frecuencia nominal y sus tres
fases correspondientes estarán puestas en cortocircuito, como se indica en la figura 6.
No será necesario conectar 3 amperímetros, ya que el generador está equilibrado, los
amperímetros marcarían lo mismo, por lo que uno de ellos solamente sería suficiente para
poder realizar el ensayo. Se puede comprobar el generador este equilibrado en cuanto la
carga en sus tres fases cambiando el amperímetro a cada fase si existe el equilibrio.
Las lecturas deberán ser idénticas en los tres casos. Los datos obtenidos en éste ensayo en
cortocircuito se reflejarán en la tabla de valores 4, como el que a continuación se señalan.
Si el generador síncrono (alternador) estuviera conectado en triángulo, la intensidad medida
no correspondería con la de una fase y por lo tanto será, =
Fig. 6
Si se traza un diagrama, con las corrientes de cortocircuito en función de los distintos valores
de la corriente de excitación, se obtendrá una línea recta que pasará por el origen, como se
puede observar en la figura 7
Fig. 7
Curva De Cortocircuito Icc = f (Iex)
Tabla 4
Icc (A) Iex (A) RPM
8
FACULTAD DECIENCIAS E INGENIERÍASección Electricidad y ElectrónicaÁREA DE ELECTRICIDAD
7. IMPEDANCIA SÍNCRONA
Se denomina impedancia síncrona a la relación entre la tensión de vacío y la corriente de
cortocircuito, para un valor determinado de la intensidad de excitación. Es decir (por fase)
A partir de las dos curvas anteriormente determinadas, tensión de vacío y corriente de
cortocircuito, para un valor dado de la intensidad de excitación, se puede determinar la
variación de la impedancia síncrona, por fase, del alternador si se repite esta medida con un
número suficiente de los valores de la y Iex hallados anteriormente, se obtendrá una curva.
Como la representada en la figura 7
Se puede determinar asimismo el valor de la reactancia sincrónica, si se conoce el valor de la
resistencia Rf , pues:
De la figura se deduce que la reactancia disminuye cuando se aumenta la corriente de
excitación; éste es un efecto de saturación magnética.
IEE2A5 – LAB. MÁQUINAS ELÉCTRICAS
9
Para el cálculo de la impedancia síncrono, así como de la reactancia síncrona, se realizará un
cuadro como el siguiente tabla
Tabla 5
Fig. 8
8. CARACATERÍSTICAS EN CARGA DE UN GENERADOR SÍNCRONO TRIFÁSICO
Se han determinado en prácticas anteriores, las características de vacío y de cortocircuito de
un generador síncrono (alternador). Ahora bien, para la determinación del resto de sus
características se debe proceder a su ensayo en carga.
Si el generador es de pequeña potencia se le puede ensayar sometiéndole a una carga
idéntica a la que puede ceder en condiciones normales de trabajo.Se obtienen, normalmente,
tres curvas características distintas de carga:
Tensión constante (curva de regulación) Ia = f (Iex) Vt CTE.
Excitación constante (curva de exteriores) Vt = f (Ia) Iex CTE.
Carga constante (curva de carga). Vt = f (Iex) Ia CTE.
8.1. Curva Característica De Tensión Constante (Regulación)
Es una curva o una familia de curvas, cuyo trazado variará con el factor de potencia de la
carga estas características permiten determinar la variación que han de tener la corriente de
excitación para mantener la tensión de línea constante, cualquiera que sea la carga y el factor
de potencia.
En la figura 9 se observan tres curvas distintas. Una para cos.φ =1, otra para cos. φ =0,8
capacitivo y, una tercera, para cos.φ = 0,8 inductivo, las cargas reales son inductivas (factor
10
FACULTAD DECIENCIAS E INGENIERÍASección Electricidad y ElectrónicaÁREA DE ELECTRICIDAD
de potencia en atraso). Nótese que las cargas varían en magnitud pero mantienen su valor de
factor de potencia
Curva característica de regulación
Fig. 9
8.2. Curva Características En Carga Con Excitación Constante (Exteriores)
Es la familia de curvas de la tensión en los bornes del generador (Vt), en función de la
corriente suministrada por él (Ia), para una velocidad, factor de potencia y corriente de
excitación constantes (Iex )
Curva Características de exteriores
Fig. 10
8.3. Curva Característica Para Intensidad De Carga Constante (Curva De Carga)
Es la curva de la tensión en los bornes del generador (Vt), en función de la corriente de
excitación (Iex), para una corriente suministrada constante (Ia), manteniendo, asimismo,
constante la frecuencia y el factor de potencia de la carga
Curva Características De Carga
IEE2A5 – LAB. MÁQUINAS ELÉCTRICAS
11
Fig. 11
9. TRAZADO DE LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS EN CARGA
Para la obtención de las distintas características en cargas de un generador síncrono de
pequeña
potencia se realizará un montaje tal como se indica en la figura 12
En este montaje, RL, XL, XC, representan respectivamente, cargas trifásicas regulables,
resistivas, capacitivas y inductivas.
Como máquina motriz se utiliza un motor de corriente continua de velocidad regulable. El
circuito de excitación del generador se alimenta mediante una fuente de corriente continua
regulable, conectando un amperímetro para medir el valor de la corriente de excitación.
Se puede conectar un solo amperímetro, siempre que haya seguridad de que la carga de las
tres fases este equilibrada.
Fig. 12 9.1. Trazado De Curva Característica De Regulación
Estando el generador (alternador) en vacío a una velocidad constante, se actúa sobre la
excitación para llevar la tensión (Vt) a su valor nominal, anotándose el valor de la corriente de
excitación (Iex). A continuación se cierra el interruptor K1 (carga resistiva) y se hace funcionar
el generador sobre dicha carga resistiva (cos.φ=1); se regula de nuevo la excitación para
mantener la tensión constante (Vt) y a velocidad constante y se anotan los valores de Ia y de
Iex
Durante todo el ensayo deberá permanecer constantes la tensión (en un determinado valor),
la velocidad (la nominal). Los resultados así obtenidos se anotarán en la tabla 6
12
FACULTAD DECIENCIAS E INGENIERÍASección Electricidad y ElectrónicaÁREA DE ELECTRICIDAD
Curva Característica De Regulación Ia= f (Iex) Vt CTE.
Tabla 6Carga resistiva Carga inductiva Carga capacitiva
Ia (A) Iex (A) Ia (A) Iex (A) Ia (A) Iex (A)
9.2. Trazado De La Curva Característica Exteriores
Estando el generador en vacío se regula la corriente de excitación, (Iex) hasta obtener la
tensión nominal, (Vt) Se cierra, entonces el interruptor K1 (carga resistiva) y se anotan los
valores de la tensión (Vt) y de la corriente suministrada (Ia), para los distintos valores de la
carga, manteniendo constantes la corriente de excitación (Iex), la velocidad y el factor de
potencia. Los valores así obtenidos se reflejarán en la tabla 7 como el siguiente:
Curva Característica De Exteriores Vt = (Ia ) Iex CTE
Tabla 7Carga resistiva Carga inductiva Carga capacitiva
Vt (V) Ia (A) Vt (V) Ia (A) Vt (V) Ia (A)
9.3. Trazado De La Curva Característica De Carga
Es la curva o familia de curvas de la tensión en los bornes del generador (Vt), en función de
la corriente de excitación (Iex), para una corriente suministrada (Ia) por el generador, una
frecuencia y un factor de potencia constantes. Estas características son, prácticamente, la
IEE2A5 – LAB. MÁQUINAS ELÉCTRICAS
13
característica en vacío desplazado por debajo de ella, para corrientes desfasadas en retraso
sobre la tensión y por encima de ella para corrientes en adelanto,.Con el mismo montaje de
la figura 12 se cierra el interruptor K1 (carga resistiva), permaneciendo abierto el K2 (carga
inductiva) asimismo el K3 (carga capacitiva) y se hace funcionar el generador para un valor
de la corriente suministrada constante (Ia).Aumentando progresivamente el valor de la
corriente de excitación (Iex) y por tanto, la tensión en bornes del generador, mientras se
regula la carga para mantener la corriente suministrada (Ia).
Los valores obtenidos mida y anote en la tabla 8
Curva Característica De Carga Vt = f (Iex) Ia CTE.
Tabla 8
Carga resistiva Carga inductiva Carga capacitiva
Vt (V) Iex (A) Vt (V) Iex (A) Vt (A) Iex (A)
10. PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS
Se indicarán los resultados, así como las curvas y cuadros determinados los anteriores
ensayos; osea:
Gráficas Vt vs. Iex en el ensayo en vacío. Ubicar el codo de saturación, gráficas Ia vs Iex en el
ensayo en
cortocircuito
Graficar Iex. vs Ia para los tres ensayos de regulación (en un mismo gráfico)
Gráficas Vt vs Ia para los dos ensayos de características exteriores
Curva de impedancia síncrona
Curva de reactancia síncrona
Calcular los parámetros (impedancia) del generador síncrono. Suponiendo que no hay
saturación
Observaciones y conclusiones
14
