SIST SISTEM EMAS AS EL EL CTRI CTRICO COS S DE POT POTEN ENCI CIA A CODIGO: E 46514
LABORATORIO N° 03 CIRCUITO EQUIVALENTE DEL GENERADOR SINCRONO
“
”
Rodrigo Días Torres Roger Ccapa Ccamaque Christian Cruz Chino
Alumno: Grupo:
C
Semestre:
V
Fecha de entrega:
14 04 14
Profesor: Chris tian Vera A. Hora:
7:55 a.m.
ELECTROTECNIA ELECTROTECNIA INDUSTRIAL PROGRAMA DE FORMACIÓN REGULAR
Nota:
Laboratorio de S.E.P. Tema: Circuito equivalente de un generador síncrono
I.
Program:
C4
Semestre:
V
Objetivos:
II.
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Obtener la curva de saturación en vacío de un generador síncrono. Obtener la característica de corto circuito de un generador síncrono. Determinar la reactancia síncrona de un generador síncrono.
Introducción teórica:
Los términos generador de corriente alterna, generador síncrono, alternador síncrono y alternador, a menudo se utilizan indistintamente en libros de ingeniería. Los alternadores son la fuente más importante de energía eléctrica. Los alternadores generan un voltaje de CA cuya frecuencia depende totalmente de velocidad de rotación. El valor del voltaje generado depende de la velocidad, de la excitación de campo en CD y del factor de potencia de carga. Si se mantiene constante la velocidad de un alternador y se aumenta la excitación del campo de CD, el flujo magnético, y por lo tanto el voltaje de salida, aumentan en proporción directa a la excitación. No obstante, con incrementos progresivos en la corriente de campo de CD, el flujo alcanzará finalmente un valor lo suficientemente alto para saturar el hierro del alternador. La saturación del hierro significa, que para un incremento dado de la corriente de campo CD, se tendrá un incremento menor en el flujo. Para conocer el grado de saturación se puede medir el voltaje con la intensidad de flujo magnético. Las tres fases del alternador están espaciadas mecánicamente dado de la corriente de campo Cd, se tendrá un incremento menor en el flujo. Para conocer el grado de saturación se puede medir el voltaje con la intensidad de flujo magnético. Cuando un alternador que trabaja produciendo voltaje nominal de salida se somete respectivamente a un corto circuito, habrá momentáneamente corrientes de gran intensidad. Sin embargo al subsistir el corto circuito, las corrientes intensas disminuirán rápidamente a valores seguros. La tensión de salida de un alternador depende básicamente del flujo total que se tenga en el entrehierro. Cuando está en vacío, este flujo se establece y determina exclusivamente la tensión generada mediante la excitación de campo CD. La característica de circuito abierto es el gráfico de la tensión generada en función de la corriente de campo con la máquina en circuito abierto y funcionando a velocidad síncrona. La característica de corto circuito es el gráfico de la corriente de estator en función de la corriente de campo con los terminales en corto circuito; en la figura N°1 se muestran las curvas para una máquina moderna. Xs es igual a la tensión producida por la misma corriente de campo que produce la corriente nominal en cortocircuito, dividida por la corriente nominal del inducido. Este valor de Xs es solo constante en la zona lineal de la característica de circuito abierto e ignora el hecho de a saturación. El valor de Xs con corriente de carga máxima será evidentemente menor que este valor. Para considerar la saturación del hierro se determina el valor de “Razón de Corto Circuito” (Rcc) en función de la
característica de corto circuito y circuito abierto. Zona Saturada Zs = Vn/lx obtenidos de la pruebas
Vn= Voltaje por fase nominal Lx = Corriente en el alternador a leo Leo = Corriente de excitación en vacío
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Xs = (Zs2 - R2)1/2 R es mucho menor que Xs por lo tanto Xs = Zs
Figura N°1 Rcc = Razón de corto circuito Rcc = AH / AK
Aproximadamente
Xs = 1 / Rcc = en p.u. Aquí se toma el efecto de la saturación.
Nota: En máquinas modernas Rcc ≈ 0.55
Medición de la resistencia del estator. Corrección por temperatura:
EFECTOS DE LA TEMPERATURA
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EFECTO DEL TIPO DE CORRIENTE Resistencia eficaz (resistencia a la corriente alterna).
Rca = (1.2 – 2.0) Rcd Medición de la resistencia en conexión estrella: Aplicamos voltaje continuo y medimos la corriente 2R = Vdc/Idc por lo tanto R = Vdc/(2*Idc)
III.
Equipo y material a utilizar
01 Alternador síncrono de 4 polos 01 Motor DC en derivación 01 Tacogenerador 02 Multímetros digitales 01 Pinza amperimétrica 01 Puente de Wheatstone 02 Fuentes de tensión continua regulable 01 Resistencia de armadura (reóstato de 47 Ω) 01 Regulador de campo (reóstato de 1400 Ω) 01 Reóstato de 100Ω-1000W (R.exc.)
Conductores de conexión
IV.
Procedimiento
Advertencia:
¡En este experimento de laboratorio se manejan altos voltajes! ¡No haga ninguna conexión cuando la fuente este conectada! ¡Después de realizar una medida desconecte la fuente!
A) Tomar datos del alternador a ensayar S=
180 VA
U=
400 V
I=
0.45 A
f=
50 Hz
Cosø=
0.80
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B) Ensayo de circuito abierto 1.- Armar el circuito de la figura N°2
Figura N°2 2.- Utilice como motor primo un motor de continua en derivación de 300W. 3.- Para arrancar el motor DC siempre debe estar presente la resistencia de armadura (RA=47 Ω). 4.- Para mantener constante la velocidad de giro 1500 RPM, utilice la tensión de alimentación del motor de continua (Ua) y para una regulación más fina el reóstato RF. 5.- Obtenga los valores de tensión generada según la tabla N°1, variando la corriente de excitación del generador (E.exc.) y para una regulación más fina utilice R.exc.
6.- Anote en la tabla N°1 las corrientes de excitación respectivas. VI.exc. (v) 0 6.4 11.9 18.1 25 32.5 42.7 69.8 No es recomendable No es recomendable
Tabla N°1 II.exc. (A) 0 0.03 0.058 0.09 0.12 0.157 0.2 0.296 No es recomendable No es recomendable
Ug (v) 3.9 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Tacogenerador 1500 RPM 1500 – 50Hz 1500 – 50Hz 1500 – 50Hz 1500 – 50Hz 1500 – 50Hz 1500 – 50Hz 1500 – 50Hz 1500 – 50Hz
NOTA: Para los últimos valores de Ug los valores de corriente sobrepasan el nominal en cantidades poco seguras.
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7.- Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente. C) Ensayo de cortocircuito. 1.- Armar el circuito de la figura N°3
Figura N°3 2.- Utilice como motor primo un motor de continua en derivación de 300W. 3.- Para arrancar el motor DC siempre debe estar presente la resistencia de armadura (RA=47 Ω). 4.- Para mantener constante la velocidad de giro 1500 RPM, utilice la tensión de alimentación del motor de continua (Ua) y para una regulación más fina el reóstato RF. 5.- Ir aumentando la corriente de excitación mediante el voltaje de excitación del generador (U.exc.) hasta obtener los valores de corriente de armadura predeterminados en la tabla N°2. Para una regulación más fina utilice R.exc. 6.- Anote en la tabla N°2 las respectivas corrientes de excitación. V. exc. (V) 0 4.9 10 20.1 30.1 40 44.9 50.4
Tabla N°2 Iexc. (A) 0 0.017 0.046 0.097 0.149 0.2 0.228 0.253
I Armadura (A) 0.00 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.45 0.5
7.- Reducir el voltaje a cero y desconectar la fuente.
Tacogenerador 1500 RPM 1500 – 50Hz 1500 – 50Hz 1500 – 50Hz 1500 – 50Hz 1500 – 50Hz 1500 – 50Hz 1500 – 50Hz 1500 – 50Hz
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V. Cálculos. 1.- Con un puente Whetstone medir la resistencia de una de las fases del alternador y modificarla para el funcionamiento en condiciones normales. R. medida. = 33 Ω (Puente Whetstone) 2.- Determinar la impedancia del alternador ensayado.
Z=
√
=
(Formula)
= 57.43Ω (Resultado)
(Valores)
3.- Determinar la reactancia del alternador ensayado. Xs = VN/Ix = 400/0.4331 (Formula) (Valores)
= j 923.574Ω (Resultado)
4.- Graficar en papel milimetrado la característica de circuito abierto y cortocircuito teniendo cuidado de que la tensión nominal y la corriente nominal se encuentren a la misma altura. Marcar los puntos A, H y K en el eje respectivo a corriente de campo.
CARACTERÍSTICAS DE CIRCUITO ABIERTO Y COTORCIRCUITO 500
0.6
450 0.5
400 350
0.4
) 300
350
0.4
300
V ( . g .
250
250
U
200
0.3
0.3
200
150 100
100
50
50
0
0.2
0.2
150
0.1
0.1
0.05 0
0 0
0.05
0
0.1 0.05
0.15
0.2
0.1
0.25
0.15
I.exc.(A) U.g.
Según el grafico:
VN= 400V
IN= 045A
IF0= 0.246A
IFCC= 0.255A
I.arm.
Linear (U.g.)
0.3 0.2
0.35 0.25
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5.- Calcular, en base a la gráfica, la razón de cortocircuito (Rcc).
Rcc =
AH/AK (Formula)
=
0.246/0.255 (Valores)
= 0.9647p.u. (Resultado)
6.- Calcular la reactancia síncrona en función de la razón de corto circuito hallada.
Xs =
Xs =
1/Rcc (Formula)
(VN*IFCC)/(IN*IF0) (Formula)
=
1/0.9647 (Valores)
= (400*0.255)/(0.45*0.246) (Valores)
= 1.0366p.u. (Resultado)
= 921.41Ω (Resultado)
7.- ¿Por qué es importante conocer la impedancia interna de un alternador? Estos valores son los que limitan los parámetros eléctricos del generador, si no se conoce dichos valores, se puede producir fallas debido a una sobretensión o sobrecorriente.
8.- ¿Cuántas veces es mayor la reactancia síncrona que la resistencia de armadura?,¿A que conclusión se puede llegar?
22 veces Al ser la reactancia síncrona mucho mayor que la resistencia de armadura, ésta última se puede despreciar al realizar el circuito equivalente del generador.
9.- ¿Elaborar el diagrama del circuito equivalente del generador síncrono con sus respectivos valores?
Nosotros creamos un campo magnético en el rotor (Campo) y lo hacemos girar utilizando el eje, esto induce una tensión en el estator (Armadura) y es justo esta la tensión generada.
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10.- ¿Cuál es el principio de funcionamiento del tacogenerador? Que voltaje deberá generar si quisiera controlar un generador trifásico acoplado a una turbina a una velocidad equivalente a la de 6 polos y 4 polos para 60 HZ. El tacogenerador produce una velocidad sincrónica de acuerdo al voltaje con que se le alimenta. De acuerdo a la relación: 6.45V – 1500RPM 6 Polos
4 Polos
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OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES:
OBSERVACIONES (Roger Ccapa)
La velocidad debe mantenerse en un valor fijo de 1500 RPM, ya que no contábamos con un tacogenerador para inspeccionar esta y sabiendo que nuestro motor es de 4 polos podemos controlar la frecuencia a 50 Hz con la tensión de alimentación del motor DC ya que para un motor de 4 polos a 50 Hz este girara a 1500 RPM. Para obtener una regulación más fina de tensión generada variando la corriente de excitación se utilizó un reóstato. Para hallar los componentes del circuito equivalente del generador, es necesario hacer dos pruebas, ensayo de circuito abierto y ensayo de cortocircuito. Tener en cuenta los datos de placa como la corriente nominal del motor para cuando se haga el ensayo de cortocircuito la corriente de armadura no debe sobrepasar la corriente nominal del motor. Como la tensión es cero en lo terminales estator durante el ensayo de cortocircuito, no se puede medir frecuencia, tampoco te botara algún valor simplemente es cero.
CONCLUSIONES (Roger Ccapa)
El voltaje del campo se regula mediante una fuente DC. Para un mejor entendimiento entre la relación de la reactancia síncrona y la resistencia de armadura, se trabajó dichos valores en p.u. Si se no se respeta los límites de trabajo del generador, éste puede comportarse como un motor. A medida que se va aumentando la corriente de excitación la tensión generada aumenta considerablemente hasta llegar a un punto de saturación donde se mantendrá linealmente. Se utiliza un motor DC en derivación como maquina prima por el gran control que posee en cuanto a velocidad, el cual puede variarse controlando el voltaje de alimentación DC. Debemos tener cuidado a la hora de incrementar la corriente de campo ya que podría sobrepasar la corriente nominal de exitacion el cual dañaría al motor. El flujo de corriente de defecto está limitado solamente por la impedancia del generador y la impedancia del circuito entre el generador y el circuito corto. En el caso de un cortocircuito en los terminales del generador, la corriente de defecto está limitada por la impedancia del generador solamente. La curva de saturación de circuito abierto se obtiene cuando se conduce el GS a la velocidad nominal, en circuito abierto, y la adquisición de la tensión del terminal GS, la frecuencia y la corriente de campo. La curva de saturación de cortocircuito se obtiene cuando el Generador Sincrónico es accionado a velocidad nominal con inducido en cortocircuito, mientras que la adquisición del estator y el campo valores corrientes deben leerse en nominal 25%, 50%, 75% y 100%. Los datos en un 125% la corriente nominal debe ser dada por el fabricante, para evitar el sobrecalentamiento del estator
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CONCLUSIONES (RODRIGO DÍAZ)
Para poder crear electricidad con un generador necesitamos dos cosas básicas: movimiento y un campo magnético. En un generador síncrono el valor que manda para la generación de tensión es la corriente de campo, podemos aumentar la velocidad pero sin corriente de campo no tendremos valores elevados de tensión generada. La corriente de campo es corriente directa. Se utiliza un motor DC en derivación como maquina prima por el gran control que posee en cuanto a velocidad, la cual podemos variar fácilmente con tan solo una variación de voltaje. El campo magnético de campo se crea con una corriente directa y como esta no es variante se la hace girar mediante el eje y se le vuelve variante como un campo magnético en alterna. El generador es básicamente un transformador que gira, pues creamos una corriente en el rotor que se induce en el estator y así creamos la tensión generada. Al colocar una carga al generador, se crea lo que conocemos como reacción de armadura, esto se da porque con la carga se crea una corriente en el circuito de armadura o estator y esta deforma la onda generada.
OBSERVACIONES (RODRIGO DIAZ)
Si invertimos la polaridad de la alimentación de campo nuestro motor sigue teniendo el mismo orden de líneas, es decir no se invierte el sentido de giro, esto se comprobó durante el laboratorio. Si nosotros invertimos la polaridad de la alimentación en la maquina prima shunt, cambia el sentido de giro de la máquina. Debemos tener cuidado a la hora de incrementar la corriente de campo pues es muy posible que lleguemos a sobrepasar la corriente nominal de excitación de nuestro motor, esto se da durante el laboratorio cuando nos pide lograr una tensión generada de 400vAC y por esto tuvimos que detenernos en 350vAC. Durante la prueba de cortocircuito no podemos medir voltaje en las líneas del estator pues estaríamos haciendo un cortocircuito entre los terminales del multímetro. Como no teníamos un Tacogenerador, tuvimos que mantener la frecuencia a 50Hz para mantener las RPM en 1500 y cuidar de que no caigan o suban.
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OBSERVACIONES (CHRISTIAN CRUZ)
Se utilizo en laboratorio un motor de corriente continua para un mejor control de la velocidad. En todas las pruebas se mantuvo una única velocidad de 1500 RPM tanto para el ensayo de vacío y para cortocircuito. Para el ensayo de vacio solo se llego a una tensión generada de 350 V ya que la corriente generada era aproximadamente a la nominal. En el ensayo de cortocircuito pasamos el valor de la corriente nominal, sin embargo esto fue solo por unos instantes para tener parámetros más exactos. El voltaje de excitación para el ensayo de vacio tanto para el de cortocircuito fue distinto como el de la corriente de excitación.
CONCLUSIONES (CHRISTIAN CRUZ)
Se concluye que no todas las magnitudes son por fase y todas dependen de la corriente de excitación. Para lograr la grafica de razón de cortocircuito para hallar la reactancia se tubo que convertir a valores por unidad (p.u). A partir de los valores mostrados en la grafica se procedió a hallar los demás parámetros para el circuito equivalente. El uso de la impedancia saturada da resultados más precisos que la no saturada. Se concluye que la Rcc sirve para establecer una relación en cuanto a la ca lidad de la maquina síncrona. El peso el tamaño de una maquina síncrona con menor Rcc es menor que una con mayor Rcc para la misma potencia y corrientes nominales. La razón de cortocircuito no llega a ser tan elevada, a pesar de esto l a resistencia es mucho más bajo sobre este valor por eso se le considera despreciable.
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ANEXOS PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR LA PRUEBA DE CIRCUITO ABIERTO Y CORTOCIRCUITO DE LOS GENERADORES SINCRÓNICOS 1- Prueba de Circuito Abierto La prueba a circuito abierto, o prueba sin carga consiste, en colocar el Generador en vacío, es decir sin carga alguna en sus bornes, haciéndola girar a su velocidad nominal y con corriente de campo igual a cero. Al ir aumentando gradualmente el valor de la corriente de campo, se obtienen diversos valores de
y ya que la corriente que circula por la armadura siempre será cero
que se encuentra en vacío, se obtendrá que
debido
Gracias a ésta prueba, con los valores obtenidos, se
puede formar "La curva de Características de Vacío" que permite encontrar la tensión interna generada por una corriente de campo dada. La prueba de circuito abierto se lleva a cabo con los terminales de la máquina desconectada de cualquier circuito externo. El procedimiento de la prueba básica es: Abra el circuito de los terminales del generador Llevar la máquina a la velocidad síncrona mediante un sistema mecánico externo Poco a poco aumentar la intensidad de campo y medir la tensión abierta en los bornes Como no hay corriente en la armadura, la tensión en los bornes de medida es la tensión inducida: Si la máquina está conectada en estrella, la tensión de medida será un voltaje línea a línea y la tensión inducida por fase se puede encontrar en: Técnicamente esta prueba se efectúa impulsando el generador a su velocidad nominal al tiempo que se deja abierto el devanado de la armadura. La corriente del campo se varía en pasos apropiados y se registran los valores correspondientes del voltaje a circuito abierto entre dos pares cualesquiera de terminales de los devanados de la armadura.
Diagrama del circuito para realizar una prueba de circuito abierto. La corriente del campo puede aumentarse hasta que el voltaje a circuito abierto sea el doble del valor especificado. De los datos registrados para el voltaje a circuito abierto es posible calcular el voltaje por fase (circuito abierto). Cuando se grafica el voltaje por fase (circuito abierto) como función de la corriente de campo, se obtiene una gráfica llamada característica (curva) de saturación a circuito abierto (CCA). La CCA sigue una relación en línea recta en tanto el circuito magnético del generador síncrono no se sature. Debido a que en la región lineal el entrehierro consume la mayor parte de la FMM, la recta recibe el nombre de línea del entrehierro. A medida que la saturación se establece, la CCA comienza a desviarse de la línea de entrehierro.
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Corriente De Campo
2.- Prueba de Cortocircuito Como su nombre indica, la prueba de corto circuito se lleva a cabo con los terminales de la máquina de un cortocircuito, consiste en llevar nuevamente la corriente de campo a cero, para luego cortocircuitar los bornes del generador y proseguir a ir incrementando la corriente de campo. El procedimiento de ensayo básico es como sigue: Establezca el campo actual a cero Un cortocircuito en los terminales de la armadura Accionar el generador a la velocidad síncrona con el sistema mecánico externo Poco a poco aumentar el devanado de campo en curso hasta que la corriente de corto circuito de la armadura alcanza el valor nominal de diseño La prueba en cortocircuito brinda información acerca de las potencialidades de corriente de un generador síncrono. Se lleva a cabo impulsando el generador a su velocidad nominal, con las terminales del devanado de la armadura en cortocircuito.
Diagrama del circuito para ejecutar una prueba de cortocircuito. Técnicamente esta prueba se efectúa colocando un amperímetro en serie con una de las tres líneas en cortocircuito. Se incrementa gradualmente la corriente de campo y se registra el valor correspondiente de la corriente a corriente máxima de la armadura en cortocircuito, no debe exceder el doble de la corriente especificada del generador. Con base en los datos registrados se calcula la corriente por fase en el cortocircuito. Cuando esta última se grafica como función de la corriente del campo, la gráfica se llama característica en cortocircuito (CCC) de un generador. Por razones prácticas, la CCA y la CCC se trazan en la misma gráfica, Puesto que el voltaje en las terminales en condiciones de cortocircuito es igual a cero, el voltaje por fase generado debe ser igual a la caída de voltaje a través de la impedancia síncrona.
