PRÁCTICA Nº 3 CARACTERÍSTICAS CON CARGA

LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS DE AC - GENERADOR DE CORRIENTE ALTERNA

ING HAROLD JOSÉ DÍAZ M. MSC- GRUPO DE DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA 1

PRÁCTICA Nº 3: CARACTERÍSTICAS CON CARGA

3.1 OBJETIVOS Estudio del funcionamiento del alternador con carga de diferente factor de potencia. Obtención de características externas. Determinación de la regulación de tensión. 3.2 CONCEPTOS BÁSICOS 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 Régimen: Conjunto de características eléctricas y mecánicas que

definen el funcionamiento de una máquina en un instante determinado. 3.2.1.3 Régimen nominal: Cuando la máquina funciona con valores nominales. 3.2.1.4 Regulación de tensión del generador sincrónico: Es la elevación de la

tensión cuando la carga nominal con factor de potencia nominal se anula, expresada en tanto por ciento de la tensión nominal. La excitación se mantiene constante durante el ensayo a un valor que dé la tensión nominal para la intensidad nominal y con el factor de potencia nominal. American Standards Association – Regla 3210, Máquinas Eléctricas Rotativas.

3.2.2 Funcionamiento del generador sincrónico con carga balanceada. 3.2.2.1 Comparación Entre el Generador de C.C. con Excitación Independiente

y el Alternador Sincrónico con el Mismo Tipo de Excitación. En los generadores de C.C. existen dos causas que producen caída de tensión desde vacío a plena carga.

a. La caída de tensión en el circuito del inducido. b. La reacción del inducido.

En el caso del generador sincrónico con excitación independiente existen 3 causas que producen caída de tensión:



a. La caída de tensión en el circuito de inducido. b. La reactancia de inducido. c. La reacción de inducido o armadura (producida por la corriente de

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

Figura 3.1 – Flujo de “dispersión” en el circuito de excitación del generador de C.A.

3.2.2.2 Regulación de tensión del alternador sincrónico Cuando el alternador funciona con carga las causas uno y dos, mencionadas anteriormente, siempre tienden a reducir la tensión generada. Sin embargo, el tercer factor, (la reacción de inducido) puede tender a aumentar o disminuir la tensión generada. Por esa razón se puede establecer que la regulación de tensión del alternador sincrónico difiere de la del generador de C.C. con excitación independiente en dos aspectos importantes:

a. Existe una caída de tensión debido a la reactancia de inducido. b. El efecto de la reacción del inducido (que depende del factor de potencia de

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

3.2.2.3 Relación entre la tensión generada ( gE ) y la tensión en bornes ( tV ) de

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



a) carga resistiva

b) carga inductiva

c) carga capacitiva

Figura 3.2 – Relación entre la tensión generada (en vacío) y tensión en carga de diferente factor de

potencia.

La tensión generada por fase, gE de un alternador polifásico ó monofásico puede establecer mediante la suma vectorial (no considera la saturación).

Satg ZIVE += (3.1)



En la que tV es la tensión en bornes por fase del alternador, SaZI es la caída de tensión debida a la impedancia sincrónica interna del alternador. De acuerdo con los diagramas vectoriales de la figura 3.2, la ecuación básica del alternador (3.1), puede expresarse ahora, para cargas con diferente factor de potencia en forma compleja así: 1. 1cos =θ )()( araaaatg EXIjRIVE +++= (3.2) 2. )(cos atrasoθ )()cos( Sataatg XIsenVjRIVE +++= θθ (3.3) 3. )(cos adelantoθ )()cos( Sataatg XIsenVjRIVE −++= θθ (3.4)

aR = resistencia de armadura por fase

aX = reactancia de dispersión (reactancia de inducido)

SX = reactancia sincrónica interna del alternador

arE = efecto de la reacción de inducido (magnetizante longitudinalmente, magnetizante transversalmente o desmagnetizante) por fase 3.2.2.4 Cálculo de la regulación de tensión de un alternador sincrónico. La regulación de tensión de un alternador sincrónico 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 Comparación entre la regulación del alternador sincrónico y el generador

de C.C. La regulación del generador de C.C. es inherentemente mejor que la regularon de un alternador sincrónico de excitación independiente.

Como las cargas eléctricas reales son de naturaleza inductiva, la tensión de un alternador disminuirá debido a:

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

Por otra parte, los efectos de la reacción de inducido en la máquina de C.C. están compensados; pero, la compensación de la reacción de inducido en el alternador es más complicada.



Por consiguiente, en la práctica, la regulación inherentemente pobre de los alternadores se ignora y su salida se mantiene a una tensión constante en bornes mediante reguladores de tensión externos que automáticamente aumentan o disminuyen la excitación de la excitatriz cuando varía la carga eléctrica y el factor de potencia. 3.2.2.6 Métodos para determinar la regulación de tensión de los alternadores. En general es imposible definir la regulación de un alternador sometiéndolo a cargas reales, especialmente si son de gran tamaño. La regulación puede calcularse con precisión partiendo de datos obtenidos en ensayos de circuito abierto y cortocircuito. Se utilizan 5 métodos para determinar la regulación:

- Método general - Método de la impedancia sincrónica ó método de la f.e.m. - Método de la AIEE - Método de la ASA.

3.2.2.7 Método de la impedancia sincrónica o de la fuerza electromotriz Para la aplicación de este método se requiere hacer las pruebas de cortocircuito y vacío ejecutadas en la práctica Nº 1. La impedancia del alternador es:

22SaS XRZ += (3.6)

a

oS I

EZ = (3.7)

En las curvas características de vacío y cortocircuito, se puede obtener para cualquier valor de la corriente de excitación el correspondiente valor de oE en la curva de vacío y el valor aI en la curva de cortocircuito. El valor de aR se determinó en la práctica Nº 1 y por lo tanto

22aSS RZX −= (3.8)

La expresión general para la tensión en vacío OE , será:



)()cos( SataatO XIsenVjRIVE ±++= θθ (3.8) La cual permite calcular la regulación para todos los factores de potencia: + inductivo, - capacitivo y cualquier condición de carga. 3.2.2.8 Característica externa del alternador En la figura 3.3 se representan las características del alternador sincrónico 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 – Característica externa del alternador con diferentes tipos de carga.

3.2.3 Funcionamiento del generador sincrónico con carga desbalanceada Existe un número de fuentes de corrientes trifásicas desbalanceadas a un generador. Las causas más comunes son las asimetrías del sistema (transformadores elevadores monofásicos con impedancias diferentes o líneas de transmisión no traspuestas), cargas desbalanceadas, fallas desbalanceadas en el sistema, y circuitos abiertos. De acuerdo con la representación de las componentes simétricas 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 dirección opuesta a la del rotor. El flujo producido por esta corriente visto por el rotor tiene una frecuencia de dos veces la velocidad sincrónica como resultado de la rotación inversa combinada con la rotación positiva del rotor.



La componente de secuencia negativa induce una corriente superficial de doble frecuencia en el rotor que fluye a través de los anillos de retención, las ranuras de las cuñas, y en menor grado en el devanado de campo. Estas corrientes en el rotor pueden causar temperaturas altamente dañinas 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 máquina simétrica es nula. Por tanto, la componente de secuencia cero solo provocará pérdidas óhmicas en el devanado del estator y en la puesta a tierra de los devanados del estator. 3.2.4 Puesta a tierra de generadores sincrónicos en el devanado del estator El método usado de puesta a tierra del estator en una instalación de generador determina el comportamiento del generador durante condiciones de falla a tierra. Además, determina la magnitud de la corriente de secuencia cero durante la operación bajo carga desbalanceada y la magnitud de las corrientes armónicas de orden tres. El método usado de puesta a tierra del estator en una instalación de generador determina el comportamiento del generador durante condiciones de falla a tierra. Si el generador está sólidamente puesto a tierra, como casi nunca sucede, aportará una muy alta magnitud de corriente a una falla de una línea a tierra (SLG) en sus terminales, acompañada de una reducción del 58% en las tensiones fase-fase que involucran la fase fallada y de un modesto desplazamiento de la tensión de neutro. Si el generador no está puesto a tierra, lo cual prácticamente nunca sucede, aportará una cantidad de corriente despreciable a una falla SLG franca en sus terminales, sin reducción en las tensiones fase-fase en terminales y un completo desplazamiento en la tensión de neutro. Las altas magnitudes de corriente de falla que resultan de un generador sólidamente puesto a tierra son inaceptables debido al daño que la falla puede causar. La desconexión al generador a través del disparo del interruptor principal, de campo y el impulsor no hará que la corriente de falla se reduzca inmediatamente a cero. El flujo atrapado en el campo causará una corriente de falla que disminuye lentamente en algunos segundos después de que el generador es disparado, lo que magnifica sustancialmente el daño. Por otro lado, el operar un generador sin aterrizar provoca una corriente de falla despreciable, pero las tensiones de línea a tierra en las fases no falladas pueden elevarse durante las fallas con arqueo a niveles altamente peligrosos los cuales podrían 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 condición de falla a tierra lo suficientemente rápido 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 contribución 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 característica 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

armónico 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 ______________________________ CÓDIGO __________________SOLICITANTE ______________________________ CÓDIGO __________________LABORATORIO ______________________________ ESPACIO __________________PROFESOR RESPONSABLE _______________________ CÓDIGO __________________FIRMA ______________________________PRACTICA ( ) TESIS ( ) OTRO ( ) ______________________________

CANT FECHA SALIDA FECHA ENTRADAD M A D M A

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

DESCRIPCIÓN No INVENTARIO FIRMA

12 Condensadores

3 Boques Inductivos

2 Guardamotor de 25 A

2

Arrancador de DC

Resistencia de carga

Osciloscopio Tektronix

Amperímetro de 60 A AC

Voltímetros 300 V AC

Reostato 100

Amperímetro de pinza

Tacómetro

UNIVERSIDAD DEL VALLEFACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICAALMACÉN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Guardamotor de 6 A

1

Grupo Motor generador

Fuentes de DC

Voltímetro 600 V DC

Vatímetro DC

Amperímetro de 20 A DC

3

3

1

1

1

2

1 Coseno ⎯

1

1

1

1

1

1

1 Vatímetro 3~

1 Cuchilla tripolar

PRÁCTICA Nº 1: PRÁCTICA Nº 3: CARACTERÍSTICAS CON CARGA

2 Amperímetro de 6 A DC



3.5 INFORME 3.5.1 Con las características de vacío y cortocircuito obtenidos en la práctica #1

calcular la regulación de tensión para diferentes factores de potencia y un mismo valor de corrientes de carga (en condiciones nominales de la máquina estudiada).

3.5.2 Trazar en una misma gráfica las características externas para diferentes

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

el alternador está conectado en estrella o en triángulo. 3.5.4 Enumerar las pérdidas 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 métodos existen para regular tensión y frecuencia de un generador

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

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

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

3.5.9 Para la carga con contenido armónico, cuanta corriente teóricamente debe

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



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

mediante ensayos las magnitudes de maquinas sincrónicas. [4]. KOSTENKO – PIOTROVSKI – Máquinas Eléctricas – Tomo II – Editorial

Mir. [5]. KOSOW, Irving – Máquinas Eléctricas y transformadores – Editorial

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

Hili. [7]. LANGSDORF, Alexander – Teoría de las máquinas de corriente alterna –

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

Editorial CEAC. [9]. KOSTENKO – PIOTROVSKI – Máquinas Eléctricas – Tomo II – Editorial

Mir. [10]. FITZGERALD. A.E. – Teoría y Análisis de las máquinas Eléctricas –

Editorial Hispano.



%i Línea teórica

I Línea teórica

Iexc Potencia Cos ϕ Vol 1 Vol 2 Vol 3 Amp 1 Amp 2 Amp 3 RPM

110%

100%

80%

60%

40%

20%

0%

CARACTERÍSTICA EN CARGA RESISTIVA

%I Línea teórica

I Línea teórica


110%

100%

80%

60%

40%

20%

0%

CARACTERÍSTICA EN CARGA INDUCTIVA



%U Línea teórica

U Línea teórica


130% 286

100% 220

80% 176

60% 132

40% 88

20% 44

0% 0

CARACTERÍSTICA EN CARGA CAPACITIVA

%I Línea teórica

I Línea teórica

Iexc Potencia Cos ϕ Vol 1 Vol 2 Vol 3 Amp 1 Amp 2 Amp 3 I a Tierra RPM

110%

100%

80%

60%

40%

20%

0%

CARACTERÍSTICA EN DESBALANCEADA



%I Línea teórica

I Línea teórica

Iexc Potencia Cos ϕ Vol 1 Vol 2 Vol 3 Amp 1 Amp 2 Amp 3 I a Tierra RPM

110%

100%

80%

60%

40%

20%

0%

CARACTERÍSTICA EN CARGA ARMÓNICOS

PRÁCTICA Nº 3 CARACTERÍSTICAS CON CARGA

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