Práctica Nº 1 Cracterísticas de Vacío, Cortocircuito Sostenido y Factor de Potencia Cero

LABORATORIO DE MQUINAS ELCTRICAS DE AC - GENERADOR DE CORRIENTE ALTERNA

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

PRCTICA N 1: CARACTERSTICAS DE VACO, CORTOCIRCUITO SOSTENIDO Y FACTOR DE POTENCIA CERO

[1, 2, 3] 1.1 OBJETIVOS Estudio del funcionamiento del alternador sin potencia de salida: obtencin de las caractersticas en vaco, cortocircuito sostenido y factor de potencia cero. Determinacin de las reactancias sincrnica ( aadd XXX += ) y de Pothier ( pX ). 1.2 CONCEPTOS BSICOS 1.2.1 Definiciones 1.2.1.1 Generador de corriente alterna: Generador que transforma energa

mecnica en energa elctrica de corriente alterna. 1.2.1.2 Generador sincrnico (alternador): Generador que transforma energa

mecnica en energa elctrica de corriente alterna cuya frecuencia es proporcional al nmero de polos y revoluciones de la mquina.

1.2.1.3 Turbogenerador: Generador de 2 o 4 polos cilndricos de potencia de 5 a

1900 MVA, cuyo motor primario es una turbina (gas o vapor) de alta velocidad.

1.2.1.4 Generador de polos salientes: Generador de ms de 4 polos y con una

potencia usualmente entre de 5 KW a 1500 MVA. 1.2.1.5 Funcionamiento en vaco: Estado de funcionamiento sin potencia de

salida. 1.2.2 Tipos de Generadores de Corriente Alterna 1.2.2.1 Generador de A.C. asincrnico A pesar de la existencia de varios tipos de generadores asncronos se prefieren los generadores asncronos de una jaula de ardilla (ver practica No 12) 1.2.2.2 Generador de A.C. sincrnico Se pueden distinguir los siguientes tipos de generadores: de polos salientes, de polos interiores movido por motor, de polos interiores movidos por turbina (turbogenerador) y generador de rotor bobinado.



a) Generador sincrnico de rotor bobinado El generador de rotor bobinado (figura 1.1) es normalmente de eje horizontal, es de baja velocidad y se emplea sobre todo para la generacin de energa elctrica en las centrales Elicas (velocidad desde 60 a 1200 rpm). El rotor es ranurado, con un devanado imbricado conectado en Y cuyos terminales salen a tres anillos rozantes.

Figura 1.1 Generador sincrnico de rotor bobinado.

b) Generador sincrnico de polos salientes

El generador de polos salientes (figura 1.2) que puede ser de eje horizontal o de eje vertical, es de baja velocidad y se emplea sobre todo para la generacin de energa elctrica en las centrales hidrulicas (velocidad desde 60 a 1200 rpm)

. Figura 1.2 Generador sincrnico de polos salientes.

c) Generador sincrnico de polos interiores

El generador de polos interiores (figura 1.3) se emplea siempre como generador de eje horizontal y casi siempre es movido por una turbina de alta velocidad (1800 a 3600 rpm) de vapor o gas. Se utiliza para generacin de energa elctrica en las centrales trmicas y nucleares. Debido a las caractersticas constructivas es fcil distinguir, por el aspecto general, una mquina de polos salientes de una de polos interiores sin ver el rotor.



Figura 1.3 Generador sincrnico de polos interiores.

1.2.3 Expresin General de la Fuerza Electromotriz de una Mquina

Sincrnica. Como se vio en el curso de Mquinas de C.C. la tensin generada )( 0E en el inducido de la mquina es proporcional al flujo )( y a la velocidad (S) con que el inducido corta las lneas de campo.

= SKE0 (Para mquinas de C.C.) (1.1)

Figura 1.4 Esquema fundamental del generador de corriente alterna

En la figura 1.4 a se representa un generador de tipo rotativo, con la diferencia de que en vez colector se tienen anillos deslizantes por los cuales se obtiene, con la ayuda de las escobillas, una tensin de corriente alterna (figura 1.4 b). 1.2.4 Frecuencia de la f.e.m. generada por la tensin sincrnica En la figura 1.4a, cuando el conductor pasa al frente al polo norte y al polo sur, la curva de la f.e.m. ha realizado un periodo o un ciclo completo o 360 elctricos de tiempo (figura 1.4 b).



As pues, se completa un periodo cada vez que un conductor pasa frente a un par de polos. Por lo tanto, la frecuencia en periodos por segundo es igual al nmero de pares de polos frente a los cuales pasa la espira por segundo. Es decir,

sPf =2

o sea 120PSf = periodos por segundo (1.2)

Siendo s = r.p.s, S = r.p.m y P = nmero de polos La expresin general de la f.e.m. generada para la mquina sincrnica es:

= SKE 10 (1.3) Reemplazando S de la expresin (1.2)

=P

fKE 12010 (1.4)

= KfE0 (1.5) Siendo K el coeficiente de fuerza electromotriz y cuyo valor depende del dimensionado de los rganos principales de la mquina, es decir, nmero de polos, ancho de los polos, ancho de las bobinas, nmero de ranuras por polo, etc. Tambin se ve influenciado por la forma de variacin del flujo en el entrehierro. 1.2.5 Caracterstica en vaco de la mquina sincrnica La caracterstica de saturacin en vaco es la relacin entre la tensin en los bornes del devanado inducido )(0 excIfE = en circuito abierto y la corriente de excitacin a velocidad de placa (figura 1.5) De acuerdo con la expresin 1.2 para una velocidad constante S, la frecuencia tambin es constante y por lo tanto:

= KE0 (1.6) Lo cual significa que la caracterstica en vaco expresa tambin, a distinta escala, la curva de saturacin magntica de la mquina sincrnica. Durante el ensayo se deben medir simultneamente la corriente de excitacin, la tensin en bornes y la frecuencia o velocidad de rotacin. La variacin de la corriente de excitacin se efecta por escalones (Aprox. 120, 115,80, 75, 50, 25 y 0% Un) [1]. Es posible que mediante convenio con el fabricante dependiendo de la edad del aislamiento se llegue hasta el 130% de la tensin nominal. La velocidad de rotacin debe estar +/- 3 % de la velocidad de placa.



Si por algn motivo la corriente de excitacin se aumenta, se debe reiniciar la prueba, esto debido al fenmeno de histresis.

Figura 1.5 Caractersticas de circuito abierto, cortocircuito y factor de potencia

cero

1.2.6 Caracterstica de cortocircuito sostenido La caracterstica de cortocircuito sostenido es la relacin entre la corriente del devanado inducido )( excCC IfI = en cortocircuito y la corriente de excitacin a velocidad de placa (figura 1.5) Dado que la corriente de excitacin es pequea no existe saturacin que afecte a la resistencia y reactancia del inducido y por lo tanto la caracterstica es una lnea recta. El cortocircuito trifsico se realiza a la mquina parada, inicialmente sin excitacin y lo ms cerca posible a los bornes. La excitacin se vara (110, 100, 75, 50 y 25% In) muy lentamente para evitar sobrevoltaje.



1.2.7 Caracterstica de Factor de potencia cero La caracterstica de Factor de potencia cero es la relacin entre la tensin en los bornes del devanado inducido )(0 excIfE = acoplado a un barraje y la corriente de excitacin a velocidad de placa (figura 1.5) Durante el ensayo se determinan de preferencia que los valores de corriente de excitacin correspondiente a los valores de tensin y corriente del inducido no difieran de 15% de los valores respectivos nominales. Durante el ensayo se vara la tensin en bornes del generador acoplado a red entre +115, 100 y 85% del voltaje nominal. Variando la velocidad del primo motor y la corriente de excitacin, se halla el punto en el cual la magnitud de la corriente de armadura sea la nominal y el factor de potencia sea cero. 1.2.8 Cantidades en P.U. Las cantidades en p.u. tienen como objetivo permitir que las ecuaciones que describen la mquina se puedan expresar en trminos de un circuito elctrico equivalente. 1.2.8.1 Ventajas: 9 Suprimir los coeficientes numricos de las ecuaciones. 9 El orden de magnitud de las impedancias en valores p.u. de una familia de

mquinas varan poco de una mquina a otra y la utilizacin de los valores p.u. permiten apreciar e interpretar mejor las similitudes como las diferencias de dichas mquinas.

9 Los circuitos equivalentes ayudan a la comprensin de los fenmenos 9 Todas las aplicaciones de la teora de los dos ejes se tratan en la literatura

tcnica en valores p.u. 9 Elimina la dificultad numrica entre el orden de potencia y voltaje entre el

estator y el rotor 1.2.8.2 Cantidades base La nocin de valores p.u. est asociada a la nocin de magnitudes de placa. Pero Algunos pueden ser escogidos arbitrariamente. En su conjunto no son independientes y deben respetar ciertas reglas de coherencia, especialmente la de conservacin de energa Estator Potencia Base:

)(3

VASS NAN = (1.7)



Donde

NAS Potencia trifsica base

NS Potencia monofsica base

Voltaje de armadura Base

)(3VVV NAN = (1.8)

Donde

NAV Voltaje trifsico base

NV Voltaje monofsico base

Corriente de armadura base

)(AVSIN

NN = (1.9)

)(*3

AV

SINA

NAN = (1.10)

Impedancia Base

)(2

==N

N

N

NN S

VIVZ (1.11)

Frecuencia Base = frecuencia de placa

Nf (1.12)

Figura 1.6 Curva de vaco y entrehierro para la determinacin de 1 p.u. de corriente de

excitacin



Para hallar el valor de un p.u. de corriente de excitacin se debe:

1. trazar la curva de vaco en p.u. de la mquina (ver figura 1.6) 2. hallar la lnea de entrehierro de la curva de vaco, la cual corresponde a la

recta que pasa por el origen de coordenadas cortando los puntos hasta donde la desviacin estndar sea pequea, esto normalmente sucede entre el 75 % y 95 % de la tensin de placa

3. Se traza una paralela al eje X, que pase por el punto que en el eje y corresponda a 1 p.u. de voltaje de armadura.

4. Se traza una paralela al eje Y que pase por el punto en el cual se interceptan la recta del punto anterior y la lnea de entrehierro.

5. El valor que corresponde a un p.u. de corriente de excitacin es aquel donde la recta del punto anterior cruce el eje X o eje de corriente de excitacin.

1.2.9 Resistencia hmica Esta resistencia puede obtenerse por dos mtodos: con un puente como el de Wheatstone o por el mtodo de voltmetro-ampermetro. Este ensayo se realiza a temperatura ambiente y en condiciones estticas. La medicin se hace con C.C. ya que con corriente alterna se incluira prdidas de acoplamiento en la estructura de los polos de excitacin y en el hierro de alrededor, obtenindose valores engaosos. Procedimiento

Se debe desconectar los terminales de lnea y del neutro para tomar independiente la medida de cada rama del devanado.

La mquina debe estar seca y los terminales de conexin limpios Se toma la lectura de resistencia con el equipo de medida. Al valor de la

resistencia total debe restrsele el valor de resistencia del cable que se haya utilizado para la medida. Al mismo tiempo, y si es posible se toman lecturas de temperatura en por lo menos cuatro puntos diferentes del estator y se sacar un promedio, el cual se anotar en el protocolo.

Un medidor de temperatura se instala en una de las barras del devanado del estator. Esta temperatura sirve de referencia para el promedio de las temperaturas ledas. Si la diferencia entre el promedio y la temperatura leda en el instrumento es igual o superior a 0.5 0C. se promedian estos dos valores para obtener la temperatura medida a registrar en el formato.

La resistencia garantizada por el fabricante se da a una temperatura de referencia, normalmente, debe hacerse la correccin de temperatura a 20C y a 75C. Por lo tanto, el valor medido antes de compararlo con el garantizado debe corregirse por temperatura usando la siguiente frmula:



KTtKTsRtRs +

+= * (1.13) Siendo:

Rs = Resistencia corregida a la temperatura de referencia. Rt = Resistencia medida a temperatura Tt. Ts = Temperatura de referencia. Tt = Promedio de las temperaturas medidas. K = Constante que para el cobre es de 234.5 y para el

Aluminio es de 245. 1.2.10 Resistencia de Aislamiento. La causa fundamental de las fallas de los devanados de las mquinas elctricas es el empeoramiento del estado del aislamiento (general, integral y local). Por esto, en la evaluacin del estado de las mquinas elctricas tanto con objetivos de diagnostico como de planificacin de los mantenimientos, resulta necesario un sistema de medicin que sea capaz de dar una valoracin objetiva del estado del aislamiento. La resistencia del aislamiento es un trmino que generalmente describe el cociente de un potencial aplicado de CD dividido por la medida de corriente que este impulsa en un instante de tiempo dado; La cual a su vez es funcin del tipo y aglutinante del material aislante. Las normas dan los valores mnimos de resistencia de aislamiento que debe tener un devanado de una mquina rotatoria en funcin del voltaje, a una temperatura de referencia, para considerar que est en buen estado, es decir, que puede soportar en forma segura el voltaje de trabajo. La norma IEEE Std 43 de 2000 da la siguiente frmula para calcular la resistencia de aislamiento minina, la cual se debe de corregir a 400C (ecuacin 1), en funcin del voltaje, para aislamientos tipo B:

1+= KVRm (1.14) Donde:

Rm = Resistencia mnima recomendada (M) a 400C. kV = Tensin nominal de la mquina en kilovoltios.

1.3 TRABAJO DE LABORATORIO 1.3.1 Medir con un puente de Wheatstone la resistencia de inducido (por fase) y

de excitacin de la mquina sincrnica polifsica asignada y la temperatura ambiente.

1.3.2 Determinar con un Megger la resistencia de aislamiento (por fase) y de

excitacin de la mquina sincrnica polifsica asignada y la temperatura ambiente.



1.3.3 Determinar la potencia que consume el primo motor en vaco, acoplar este al generador y determinar las prdidas mecnicas de este.

1.3.4 Instalar el circuito de la figura 1.6 con los medidores que permitan tomar

datos para trazar la caracterstica en vaco. Con el interruptor S2 abierto, cerrar el interruptor S1 e incrementar la corriente de excitacin hasta que el voltaje de salida sea aproximadamente 120% del voltaje nominal, se reduce la tensin de acuerdo con el tem 1.2.5. Se debe controlar que en todo momento la frecuencia sea constante.

1.3.5 Con base en el esquema de la figura 1.6 instalar los medidores que

permitan tomar datos para trazar la caracterstica de cortocircuito. Con la mquina girando a velocidad nominal cerrar el interruptor S2. Garantizando que la corriente de excitacin sea mnima cerrar el interruptor S1 e incrementar la Iexc hasta que la corriente de inducido en cortocircuito sea aproximadamente 1.1 la nominal, se reduce la corriente de armadura de acuerdo con el tem 1.2.6.

Figura 1.6 Esquema de montaje: generador en vaco, cortocircuito sostenido y factor de

potencia cero.

1.3.6 Con base en el esquema de la figura 1.6 instalar los medidores que permitan tomar datos para trazar la caracterstica de factor de potencia cero. Con la mquina girando a velocidad y tensin nominal acopla a la red mediante un variak de acuerdo al tem 1.2.8.

1.4 TRABAJO COMPLEMENTARIO Funcionamiento de la mquina generalizada como generador sincrnico.



1.5 EQUIPOS Y MATERIALES

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

CANT DESCRIPCIN No FIRMA FECHA SALIDA FECHA ENTRADAINVENTARIO D M A D M A

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

PRCTICA N 1: CARACTERSTICAS DE VACO, CORTOCIRCUITO SOSTENIDO Y FACTOR DE POTENCIA CERO

2 Ampermetro de 6 A DC

1 Cuchilla tripolar

1 Vatmetro 3~

1

2

1 Coseno

1

1

1

1

1

1

3

3

1

Grupo Motor generador

Fuentes de DC

Voltmetro 600 V DC

Vatmetro DC

Ampermetro de 20 A DC

Guardamotor de 6 A

UNIVERSIDAD DEL VALLEFACULTAD DE INGENIERA

ESCUELA DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICAALMACN DE MQUINAS ELCTRICAS

Tacmetro

Reostato 100

Ampermetro de pinza

Ampermetro de 60 A AC

Voltmetros 300 V AC

Arrancador de DC

2 Guardamotor de 25 A

2



1.6 INFORME 1.6.1 Calcular el valor de resistencia de armadura y campo referida a 20 y 75 oC 1.6.2 Como se realiza la prueba de ndice de Polarizacin (IP), para que sirve y

cuales son los criterios de decisin de esta. 1.6.3 Dibujar en una misma grfica las caractersticas en vaco, cortocircuito

sostenido y factor de potencia cero en p.u. 1.6.4 Explicar si el alternador de 60Hz utilizado en la prctica se puede utilizar

para general la misma tensin pero a 25Hz. 1.6.5 Citar por lo menos 6 razones importantes que hacen que el alternador de

inducido fijo y excitacin mvil sea el ms utilizado en la prctica, que el alternador con inducido giratorio y campo fijo (generador sincrnico de rotor bobinado).

1.6.6 Calcular el valor de Iexc equivalente a 1PU 1.6.7 Obtener el valor de la reactancia sincrnica a travs de las curvas de vaco

y cortocircuito. Grficar la curva de impedancia sincrnica contra corriente de excitacin.

1.6.8 Obtener el valor de la reactancia de Pothier a travs de las curvas de vaco

cortocircuito sostenido y factor de potencia cero. 1.6.9 Explicar como se denomina la caracterstica que se obtiene prolongando la

parte recta inicial de la caracterstica en vaco. 1.6.10 Explicar como se puede obtener las prdidas totales en la prueba de vaco

y a que elementos se atribuyen. 1.6.11 Obtener la Rcc de la mquina, que puede decir de esta. 1.6.12 Enumere los pasos a seguir para el arranque de una mquina elctrica.



1.7 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]. IEEE Std 43 de 2000, recommended practice for testing insulation

resistance of rotating machinery 3.1. LANGSDORF, Alexander Teora de las mquinas de corriente alterna

Ed. Mc Graw-Hill 3.2. KOSOW, Irving Mquinas Elctricas y transformadores Editorial

Reverte. 3.3. Enciclopedia CEAC de Electricidad Mquinas de corriente alterna

Editorial CEAC. 3.4. DAWES, Chester Tratado de Electricidad Tomo II Editorial Gustavo

Pili 3.5. FITZGERALD. A.E. Teora y Anlisis de las mquinas Elctricas

Editorial Hispano 3.6. KOSTENKO PIOTROVSKI Mquinas Elctricas Tomo II Editorial

Mir.



%U Lnea terica

U Lnea terica

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

120% 264

115% 253

110% 242

105% 231

100% 220

95% 209

90% 198

85% 187

80% 176

75% 165

50% 110

25% 55

0% 0

CARACTERSTICA DE VACO



%I Lnea terica

I Lnea terica


110%

100%

75%

50%

25%

0%

CARACTERSTICA DE CORTOCIRCUITO SOSTENIDO

%I Lnea terica

I Lnea terica


115% 253

100% 220

85% 187

CARACTERSTICA DE FP CERO



FASE A FASE APOT VACO MAQUINA DC

FASE B FASE BPOT VACIO GRUPO MOTOR GENERADOR

FASE C FASE C

EXCITACIN EXCITACIN

TEMP AMBIENTE TEMP AMBIENTE

RESISTENCIA OHMICA RESISTENCIA AISLAMIENTOOTROS

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