práctica nº 3 características con carga

LABORATORIO DE MQUINAS ELCTRICAS ROTATIVAS DE AC - GENERADOR DE CORRIENTE ALTERNA

ING HAROLD JOS DAZ M. MSC- GRUPO DE DE CONVERSIN DE ENERGA 1

PRCTICA N 3: CARACTERSTICAS CON CARGA

3.1 OBJETIVOS Estudio del funcionamiento del alternador con carga de diferente factor de potencia. Obtencin de caractersticas externas. Determinacin de la regulacin de tensin. 3.2 CONCEPTOS BSICOS 3.2.1 Definiciones 3.2.1.1 Funcionamiento a carga nominal: Cuando la potencia de salida tiene el

valor nominal. 3.2.1.2 Rgimen: Conjunto de caractersticas elctricas y mecnicas que

definen el funcionamiento de una mquina en un instante determinado. 3.2.1.3 Rgimen nominal: Cuando la mquina funciona con valores nominales. 3.2.1.4 Regulacin de tensin del generador sincrnico: Es la elevacin de la

tensin cuando la carga nominal con factor de potencia nominal se anula, expresada en tanto por ciento de la tensin nominal. La excitacin se mantiene constante durante el ensayo a un valor que d la tensin nominal para la intensidad nominal y con el factor de potencia nominal. American Standards Association Regla 3210, Mquinas Elctricas Rotativas.

3.2.2 Funcionamiento del generador sincrnico con carga balanceada. 3.2.2.1 Comparacin Entre el Generador de C.C. con Excitacin Independiente

y el Alternador Sincrnico con el Mismo Tipo de Excitacin. En los generadores de C.C. existen dos causas que producen cada de tensin desde vaco a plena carga.

a. La cada de tensin en el circuito del inducido. b. La reaccin del inducido.

En el caso del generador sincrnico con excitacin independiente existen 3 causas que producen cada de tensin:



a. La cada de tensin en el circuito de inducido. b. La reactancia de inducido. c. La reaccin de inducido o armadura (producida por la corriente de

armadura). No todo el flujo magntico producido por la corriente de armadura afecta la f.m.m. de excitacin. Es decir, parte del flujo de la armadura no atraviesa el entrehierro y se convierte en flujo de dispersin. Este flujo se puede asociar con una reactancia de inducido y se considera ms importante que el de dispersin del flujo de excitacin (Figura 3.1).

Figura 3.1 Flujo de dispersin en el circuito de excitacin del generador de C.A.

3.2.2.2 Regulacin de tensin del alternador sincrnico Cuando el alternador funciona con carga las causas uno y dos, mencionadas anteriormente, siempre tienden a reducir la tensin generada. Sin embargo, el tercer factor, (la reaccin de inducido) puede tender a aumentar o disminuir la tensin generada. Por esa razn se puede establecer que la regulacin de tensin del alternador sincrnico difiere de la del generador de C.C. con excitacin independiente en dos aspectos importantes:

a. Existe una cada de tensin debido a la reactancia de inducido. b. El efecto de la reaccin del inducido (que depende del factor de potencia de

la carga) puede producir una tensin que ayude a la tensin generada y tienda a incrementar la tensin en bornes.

3.2.2.3 Relacin entre la tensin generada ( gE ) y la tensin en bornes ( tV ) de

un alternador para distintos factores de potencia de la carga. Las relaciones entre las distintas cadas de tensin que originan una diferencia entre la tensin generada y la tensin en bornes pueden verse en la figura 3.2.



a) carga resistiva

b) carga inductiva

c) carga capacitiva

Figura 3.2 Relacin entre la tensin generada (en vaco) y tensin en carga de diferente factor de

potencia.

La tensin generada por fase, gE de un alternador polifsico monofsico puede establecer mediante la suma vectorial (no considera la saturacin).

Satg ZIVE += (3.1)



En la que tV es la tensin en bornes por fase del alternador, SaZI es la cada de tensin debida a la impedancia sincrnica interna del alternador. De acuerdo con los diagramas vectoriales de la figura 3.2, la ecuacin bsica del alternador (3.1), puede expresarse ahora, para cargas con diferente factor de potencia en forma compleja as: 1. 1cos = )()( araaaatg EXIjRIVE +++= (3.2) 2. )(cos atraso )()cos( Sataatg XIsenVjRIVE +++= (3.3) 3. )(cos adelanto )()cos( Sataatg XIsenVjRIVE ++= (3.4)

aR = resistencia de armadura por fase

aX = reactancia de dispersin (reactancia de inducido)

SX = reactancia sincrnica interna del alternador

arE = efecto de la reaccin de inducido (magnetizante longitudinalmente, magnetizante transversalmente o desmagnetizante) por fase 3.2.2.4 Clculo de la regulacin de tensin de un alternador sincrnico. La regulacin de tensin de un alternador sincrnico se calcula de la misma forma que para un generador de C.C., o sea:

100=t

tg

VVE

R (3.5)

3.2.2.5 Comparacin entre la regulacin del alternador sincrnico y el generador

de C.C. La regulacin del generador de C.C. es inherentemente mejor que la regularon de un alternador sincrnico de excitacin independiente.

Como las cargas elctricas reales son de naturaleza inductiva, la tensin de un alternador disminuir debido a:

a. Resistencia de inducido o armadura )( aR b. Reactancia de inducido )( aX c. Reaccin de inducido.

Por otra parte, los efectos de la reaccin de inducido en la mquina de C.C. estn compensados; pero, la compensacin de la reaccin de inducido en el alternador es ms complicada.



Por consiguiente, en la prctica, la regulacin inherentemente pobre de los alternadores se ignora y su salida se mantiene a una tensin constante en bornes mediante reguladores de tensin externos que automticamente aumentan o disminuyen la excitacin de la excitatriz cuando vara la carga elctrica y el factor de potencia. 3.2.2.6 Mtodos para determinar la regulacin de tensin de los alternadores. En general es imposible definir la regulacin de un alternador sometindolo a cargas reales, especialmente si son de gran tamao. La regulacin puede calcularse con precisin partiendo de datos obtenidos en ensayos de circuito abierto y cortocircuito. Se utilizan 5 mtodos para determinar la regulacin:

- Mtodo general - Mtodo de la impedancia sincrnica mtodo de la f.e.m. - Mtodo de la AIEE - Mtodo de la ASA.

3.2.2.7 Mtodo de la impedancia sincrnica o de la fuerza electromotriz Para la aplicacin de este mtodo se requiere hacer las pruebas de cortocircuito y vaco ejecutadas en la prctica N 1. La impedancia del alternador es:

22SaS XRZ += (3.6)

a

oS I

EZ = (3.7) En las curvas caractersticas de vaco y cortocircuito, se puede obtener para cualquier valor de la corriente de excitacin el correspondiente valor de oE en la curva de vaco y el valor aI en la curva de cortocircuito. El valor de aR se determin en la prctica N 1 y por lo tanto

22aSS RZX = (3.8)

La expresin general para la tensin en vaco OE , ser:



)()cos( SataatO XIsenVjRIVE ++= (3.8) La cual permite calcular la regulacin para todos los factores de potencia: + inductivo, - capacitivo y cualquier condicin de carga. 3.2.2.8 Caracterstica externa del alternador En la figura 3.3 se representan las caractersticas del alternador sincrnico con carga inductiva, resistiva y capacitiva.

Amperios (A)

Tens

ion

en te

rmin

ales

(Vt)

Corriente en avance f.p = 0.8

Factor de potencia unitario

Corriente retardada f.p = 0.8

Figura 3.3 Caracterstica externa del alternador con diferentes tipos de carga.

3.2.3 Funcionamiento del generador sincrnico con carga desbalanceada Existe un nmero de fuentes de corrientes trifsicas desbalanceadas a un generador. Las causas ms comunes son las asimetras del sistema (transformadores elevadores monofsicos con impedancias diferentes o lneas de transmisin no traspuestas), cargas desbalanceadas, fallas desbalanceadas en el sistema, y circuitos abiertos. De acuerdo con la representacin de las componentes simtricas de las condiciones del sistema desbalanceado, las corrientes en el estator del generador pueden ser descompuestas en componentes de secuencia positiva, negativa y cero. La mayor fuente de corriente de secuencia negativa es la falla fase a fase en el generador. La corriente de secuencia negativa gira en la direccin opuesta a la del rotor. El flujo producido por esta corriente visto por el rotor tiene una frecuencia de dos veces la velocidad sincrnica como resultado de la rotacin inversa combinada con la rotacin positiva del rotor.



La componente de secuencia negativa induce una corriente superficial de doble frecuencia en el rotor que fluye a travs de los anillos de retencin, las ranuras de las cuas, y en menor grado en el devanado de campo. Estas corrientes en el rotor pueden causar temperaturas altamente dainas en muy corto tiempo. Si se alimenta la armadura con un sistema de corrientes de secuencia cero, la fuerza magnetomotriz resultante en el entrehierro de una mquina simtrica es nula. Por tanto, la componente de secuencia cero solo provocar prdidas hmicas en el devanado del estator y en la puesta a tierra de los devanados del estator. 3.2.4 Puesta a tierra de generadores sincrnicos en el devanado del estator El mtodo usado de puesta a tierra del estator en una instalacin de generador determina el comportamiento del generador durante condiciones de falla a tierra. Adems, determina la magnitud de la corriente de secuencia cero durante la operacin bajo carga desbalanceada y la magnitud de las corrientes armnicas de orden tres. El mtodo usado de puesta a tierra del estator en una instalacin de generador determina el comportamiento del generador durante condiciones de falla a tierra. Si el generador est slidamente puesto a tierra, como casi nunca sucede, aportar una muy alta magnitud de corriente a una falla de una lnea a tierra (SLG) en sus terminales, acompaada de una reduccin del 58% en las tensiones fase-fase que involucran la fase fallada y de un modesto desplazamiento de la tensin de neutro. Si el generador no est puesto a tierra, lo cual prcticamente nunca sucede, aportar una cantidad de corriente despreciable a una falla SLG franca en sus terminales, sin reduccin en las tensiones fase-fase en terminales y un completo desplazamiento en la tensin de neutro. Las altas magnitudes de corriente de falla que resultan de un generador slidamente puesto a tierra son inaceptables debido al dao que la falla puede causar. La desconexin al generador a travs del disparo del interruptor principal, de campo y el impulsor no har que la corriente de falla se reduzca inmediatamente a cero. El flujo atrapado en el campo causar una corriente de falla que disminuye lentamente en algunos segundos despus de que el generador es disparado, lo que magnifica sustancialmente el dao. Por otro lado, el operar un generador sin aterrizar provoca una corriente de falla despreciable, pero las tensiones de lnea a tierra en las fases no falladas pueden elevarse durante las fallas con arqueo a niveles altamente peligrosos los cuales podran causar la falla del aislamiento del generador. Como resultado, los devanados del estator de generadores grandes son puestos a tierra de tal forma que reduzcan las corrientes de falla y las sobretensiones y proporcionen un medio de detectar la condicin de falla a tierra lo suficientemente rpido para prevenir el calentamiento del hierro. Dos tipos de puesta a tierra son ampliamente usados en la industria, los denominados como puesta a tierra de alta y de baja impedancia.



El resistor o reactor de puesta a tierra es seleccionado para limitar la contribucin del generador para una falla SLG a un rango de corrientes generalmente entre 200 A y/o 150% de la corriente de carga nominal.

3.3 TRABAJO DE LABORATORIO 3.3.1 Instalar el circuito de la figura 3.4 utilizando una carga resistiva con los

medidores que permitan obtener la caracterstica externa. 3.3.2 Repetir el punto anterior pero utilizando una carga inductiva. 3.3.3 Repetir 3.3.1 utilizando una carga capacitiva. 3.3.4 Colocar la maquina en condiciones balanceadas a la red y disminuir la

corriente por una fase con fp igual a 0. Tomar valores de corriente y voltaje de fase, y corriente a tierra.

3.3.5 Colocar la maquina en condiciones balanceadas a la red y sumar un tercer

armnico de Fem. a cada fase con fp igual a 0. Tomar valores de corriente y voltaje de fase, corriente a tierra y forma de la onda aplicada.



3.4 EQUIPOS Y MATERIALES

SOLICITANTE ______________________________ CDIGO __________________SOLICITANTE ______________________________ CDIGO __________________LABORATORIO ______________________________ ESPACIO __________________PROFESOR RESPONSABLE _______________________ CDIGO __________________FIRMA ______________________________PRACTICA ( ) TESIS ( ) OTRO ( ) ______________________________

CANT FECHA SALIDA FECHA ENTRADAD M A D M A

La firma de esta solicitud implica el conocimiento y la aceptacin del reglamento interno de los laboratorios.

DESCRIPCIN No INVENTARIO FIRMA

12 Condensadores

3 Boques Inductivos

2 Guardamotor de 25 A

2

Arrancador de DC

Resistencia de carga

Osciloscopio Tektronix

Ampermetro de 60 A AC

Voltmetros 300 V AC

Reostato 100

Ampermetro de pinza

Tacmetro

UNIVERSIDAD DEL VALLEFACULTAD DE INGENIERA

ESCUELA DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICAALMACN DE MQUINAS ELCTRICAS

Guardamotor de 6 A

1

Grupo Motor generador

Fuentes de DC

Voltmetro 600 V DC

Vatmetro DC

Ampermetro de 20 A DC

3

3

1

1

1

2

1 Coseno

1

1

1

1

1

1

1 Vatmetro 3~

1 Cuchilla tripolar

PRCTICA N 1: PRCTICA N 3: CARACTERSTICAS CON CARGA

2 Ampermetro de 6 A DC



3.5 INFORME 3.5.1 Con las caractersticas de vaco y cortocircuito obtenidos en la prctica #1

calcular la regulacin de tensin para diferentes factores de potencia y un mismo valor de corrientes de carga (en condiciones nominales de la mquina estudiada).

3.5.2 Trazar en una misma grfica las caractersticas externas para diferentes

factores de potencia. 3.5.3 Explicar si existe diferencia en la manera de calcular la regulacin cuando

el alternador est conectado en estrella o en tringulo. 3.5.4 Enumerar las prdidas que se producen en los alternadores y exponer

brevemente cada una de ellas. 3.5.5 Trazar el diagrama de fem simplificado para cada carga en a corriente

nominal. 3.5.6 Que mtodos existen para regular tensin y frecuencia de un generador

sincrnico que opere en forma aislada. 3.5.7 Como debe ser la Rcc de un generador sincrnico que opere de forma

aislada (alta o baja) explique por qu? 3.5.8 Para la carga desbalanceada, calcule por el mtodo de componentes

simtricas Io, I2 e I1. cuanta corriente tericamente debe ir a tierra y porque?, coincide con el valor medido?

3.5.9 Para la carga con contenido armnico, cuanta corriente tericamente debe

ir a tierra y porque?, coincide con el valor medido?



3.6 BIBLIOGRAFA [1]. IEEE Std 115-1995 Guide Test Procedures for Synchronous Machines [2]. EC 34-4-1980, Rotating electrical machines. [3]. NTC 1515-1999, Maquinas elctricas rotatorias. mtodos para determinar

mediante ensayos las magnitudes de maquinas sincrnicas. [4]. KOSTENKO PIOTROVSKI Mquinas Elctricas Tomo II Editorial

Mir. [5]. KOSOW, Irving Mquinas Elctricas y transformadores Editorial

Reverte. [6]. DAWES, Chester Tratado de electricidad Tomo II Editorial Gustavo

Hili. [7]. LANGSDORF, Alexander Teora de las mquinas de corriente alterna

Ed. Mc Graw-Hill. [8]. Enciclopedia CEAC de Electricidad Mquinas de corriente alterna

Editorial CEAC. [9]. KOSTENKO PIOTROVSKI Mquinas Elctricas Tomo II Editorial

Mir. [10]. FITZGERALD. A.E. Teora y Anlisis de las mquinas Elctricas

Editorial Hispano.



%i Lnea terica

I Lnea terica

Iexc Potencia Cos Vol 1 Vol 2 Vol 3 Amp 1 Amp 2 Amp 3 RPM110%

100%

80%

60%

40%

20%

0%

CARACTERSTICA EN CARGA RESISTIVA

%I Lnea terica

I Lnea terica

Iexc Potencia Cos Vol 1 Vol 2 Vol 3 Amp 1 Amp 2 Amp 3 RPM110%

100%

80%

60%

40%

20%

0%

CARACTERSTICA EN CARGA INDUCTIVA



%U Lnea terica

U Lnea terica

Iexc Potencia Cos Vol 1 Vol 2 Vol 3 Amp 1 Amp 2 Amp 3 RPM130% 286

100% 220

80% 176

60% 132

40% 88

20% 44

0% 0

CARACTERSTICA EN CARGA CAPACITIVA

%I Lnea terica

I Lnea terica

Iexc Potencia Cos Vol 1 Vol 2 Vol 3 Amp 1 Amp 2 Amp 3 I a Tierra RPM110%

100%

80%

60%

40%

20%

0%

CARACTERSTICA EN DESBALANCEADA



%I Lnea terica

I Lnea terica

Iexc Potencia Cos Vol 1 Vol 2 Vol 3 Amp 1 Amp 2 Amp 3 I a Tierra RPM110%

100%

80%

60%

40%

20%

0%

CARACTERSTICA EN CARGA ARMNICOS

práctica nº 3 características con carga

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