1 Cargas Durante el desarrollo del Curso hemos estudiado cargas,
líneas que vinculan las cargas y la máquina que
ensayaremos, que es la encargada de generar la energía
eléctrica. La máquina sincrónica, se compone
de un bobinado de excitación, que generalmente se ubica en
el rotor. En el estator encontramos tres bobinas dispuestas a
120º entre sí. Generador (Gp:) Líneas
2 Excitación de la Maquina Sincrónica: vista en
corte (Gp:) S (Gp:) N (Gp:) X (Gp:) I de excitación (Gp:)
(Gp:) X (Gp:) X (Gp:) X (Gp:) B
3 x X U X S N Máquina Sincrónica vista en
corte
4 (Gp:) X (Gp:) X (Gp:) X (Gp:) U (Gp:) (Gp:) (Gp:) S (Gp:)
N
5 (Gp:) X (Gp:) U (Gp:) X (Gp:) X (Gp:) (Gp:) (Gp:) S (Gp:)
N
6 (Gp:) X (Gp:) U (Gp:) X (Gp:) X (Gp:) (Gp:) (Gp:) S (Gp:)
N
7 (Gp:) X (Gp:) U (Gp:) X (Gp:) (Gp:) (Gp:) S (Gp:) N (Gp:)
X
8 (Gp:) X (Gp:) U (Gp:) X (Gp:) (Gp:) S (Gp:) N (Gp:) (Gp:)
X
9 Objetivos del TP: Estudiar el funcionamiento de la
máquina sincrónica: Funcionando como generador
Funcionando como motor Entregando potencia a una carga en nuestro
Laboratorio (funcionamiento en isla) (similar a un grupo
electrógeno). Entregando potencia a la red (como una
central eléctrica pequeña) Entregando potencia
mecánica a un generador de corriente continua
10 Características de las Máquinas a utilizar
11 Ensayos a Realizar Arranque y obtención de valores
nominales de tensión y frecuencia (en vacío)
Conexión de una carga trifásica inductiva
equilibrada y observar que ocurre con la tensión y
frecuencia de la máq. sincrónica Ajuste de
tensión y frecuencia hasta obtener los valores nominales
Conexión de una carga trifásica resistiva
equilibrada en paralelo con la anterior, observar que ocurre con
la tensión y frecuencia de la máquina
sincrónica. Ajuste de frecuencia hasta su valor nominal
(sin modificar la carga conectada) Ajuste de tensión y
frecuencia hasta obtener los valores nominales Descarga y
sincronización del alternador Entrega de potencia a la Red
Subexcitación Sobreexcitación Pasaje de
funcionamiento como generador sincrónico a motor
sincrónico a) Funcionamiento de la máquina
sincrónica como Generador b) Funcionamiento de la
máquina sincrónica como Motor
12 (Gp:) L2 (Gp:) R (Gp:) S (Gp:) T (Gp:) Tablero 3 x 380 V – 50
Hz (Gp:) L1 (Gp:) Lado Red (Gp:) f (Gp:) U (Gp:) n (Gp:) R (Gp:)
X (Gp:) Lado Carga (Gp:) AR (Gp:) AS (Gp:) AT (Gp:) WRS (Gp:) WTS
(Gp:) R (Gp:) M (Gp:) L (Gp:) Reóstato de arranque (Gp:)
Tablero C.C. (Gp:) M C.C. (Gp:) Re (Gp:) MS 3 ? (Gp:) R (Gp:) N
(Gp:) Autotransformador (Gp:) 220 V CA Circuito del T.P.
13 (Gp:) Pot eléctrica a la RED 3×380 V (Gp:) Pmec Sentido
del flujo de potencia (Gp:) Pot eléctrica de la RED 3×380
V (Gp:) Pot eléctrica a una CARGA (Gp:) Pmec (Gp:) Pot
eléctrica de la RED de 220 V Corriente Continua (Gp:) PP
(Gp:) PP (Gp:) PP (Gp:) PP (Gp:) gen sincron (Gp:) motor CC (Gp:)
TRES (Gp:) TMOT (Gp:) gen CC (Gp:) motor sincron (Gp:) TMOT (Gp:)
TRES
14 Ie nominal( la requerida para tener Unominal con carga
nominal) Curvas Características de la Máquina
Sincrónica
15 (Gp:) Motor CC (Gp:) A (Gp:) L (Gp:) R (Gp:) M (Gp:) Rarr
(Gp:) D (Gp:) C (Gp:) s (Gp:) t (Gp:) ReM (Gp:) s (Gp:) t (Gp:)
IM (Gp:) Ia IeM (Gp:) Ia (Gp:) ? Máquina de Corriente
Continua -Esquema de funcionamiento- (Gp:) Red de Corriente
Continua 220V (Gp:) + (Gp:) –
16 1 En la ecuación anterior, en el arranque, ? = 0, por
tanto: Como el valor de Ra es muy pequeño, debemos
conectar en serie una Rarr para evitar que I tome un valor muy
grande. Conforme ? va aumentado durante en arranque ( por lo
tanto E aumenta en ec 1, y como está restando ) el
numerador de la ec 1 disminuye) la corriente va disminuyendo por
lo que podemos ir eliminando lentamente la Rarr hasta eliminarla
completamente. Arranque de la máquina de corriente
continua
17 Regulación de la velocidad de la máquina de
corriente continua
18 Secuencia Operativa del Trabajo Práctico 1 Arranque del
Grupo,obtención de la tensión y frecuencias
nominales( en vacío): Con el reóstato de arranque
Rarr de la máq. de continua todo intercalado(Iarr <<
) y el de excitación ReM totalmente eliminado ( Tarr =
Tarr MAX y ? mínima, se cierra L2 conectando la
máquina a la Red de Corriente Continua ,a
continuación, girando lentamente la palanca L desde M
hasta R (ver esquema Maq. CC) y observando el amperímetro
A, la máquina y su carga acoplada(Máquina
Sincrónica) van tomando velocidad . Excitación de
la Máquina Sincrónica y Generación de
Tensión: Con el reóstato de excitación Re S
en una posición intermedia (ver Circuito de Ensayo) se
cierra la llave del tablero Nº 8 y mediante el
autotransformador se alimenta la fuente de Corriente Continua que
provee la excitación de la Máquina
Sincrónica controlando Ie S mediante el amperímetro
(ver circuito de excitación máq.
sincrónica).
19 Los valores de tensión y frecuencia medidos
serán menores a los nominales, para obtener los valores
nominales (380V,50Hz) debemos aumentar la velocidad de la maquina
de CC aumentando ReM hasta obtener frecuencia nominal, y a
continuación aumentamos la corriente de excitación
Ie S (aumentando la tensión aplicada por el
autotransformador a la fuente de corriente continua) hasta
obtener el valor nominal de tensión. El ajuste de
frecuencia y tensión debe hacerse en ese orden pues por la
expresión: Ufase = 4,44 N f ?max 2 si buscamos obtener
primeramente la tensión de fase nominal y luego la
frecuencia, al variar la velocidad para obtener la frecuencia
nominal como la tensión generada depende de la frecuencia
(ver 2)también se modificaría la tensión. Se
medirán todos los parámetros indicados en la Tabla
de la Guía de TP.
20 2 Se cierra L2 sobre el Lado Carga y se conecta el banco de
reactancias regulando su valor hasta obtener corrientes
equilibradas del orden del40% de la nominal. Se observará
que la frecuencia no ha variado por ello no se modificará
la velocidad (la carga puede considerarse como inductiva pura, No
demanda potencia activa a la maquina sincrónica y por ende
esta no aumenta su demanda de potencia mecánica a la
maquina de impulso) La potencia activa que consumen los
núcleos de las bobinas es muy pequeña. La
tensión generada disminuyó, esto se debe a que la
fem inducida en el estator por el flujo de excitación (del
rotor) cuando la carga es inductiva genera una corriente y esta
un flujo estatórico que se opone al flujo rotórico,
de resultas de esa composición vectorial el flujo
resultante se ve disminuido. 3 Restablecimiento de la
tensión a su valor nominal: Para restablecer el valor de
tensión( o lo que es lo mismo, el flujo resultante)
debemos aumentar el flujo de excitación, para ello
aumentamos la tensión entregada por el autotransformador
hasta medir en el voltímetro la tensión nominal.
como aumentó la tensión y la carga se mantuvo
constante, la corriente que entrega el generador aumento:
21 4 Conexión en paralelo con la carga existente, un banco
de resistencias trifásico, equilibrado. Se conecta
resistencia hasta que la corriente del alternador sea del 80% de
la nominal. Observaremos que, ha disminuido la frecuencia porque
al conectar una carga resistiva, el alternador debe entregar
potencia activa, lo cual hace que se incremente la cupla
resistente que este le opone a la maquina de impulso (motor de
CC), por ello es que disminuye la velocidad, y por consiguiente
la frecuencia. También se observará una
disminución de la tensión, esto se debe a dos
motivos, el primero es que disminuyó la frecuencia
(recordar formula Ufase = 4,44. N. f .?max ) el segundo es que la
reacción de armadura debilita la tensión. 5 Ajuste
de la frecuencia a su valor nominal Incrementaremos la velocidad
de la máquina aumentando Re M hasta obtener la frecuencia
nominal. La tensión aumentará (pero sin llegar a su
valor nominal) aumentar la frecuencia, y la corriente aumenta
debido al aumento de tensión.
22 7 Descargar la máquina y Maniobra de
Sincronización con la Red: Para hacerlo podríamos
abrir L1 (que estaba cerrada sobre el lado carga) desconectando
bruscamente la carga , ello provocaría que, la maquina de
impulso que venia haciendo un esfuerzo para vencer el par
resistente que le imponía el alternador al tener este que
entregar potencia activa a la carga, aumentara bruscamente la
velocidad(solicitación mecánica) y aumentará
bruscamente la tensión(solicitación
eléctrica) por dos motivos primero por el aumento de la
frecuencia, segundo porque la máquina está
sobreexcitada(tuvimos que hacerlo para lograr compensar la
reacción de armadura). Para evitar las solicitaciones
mencionadas, procederemos a descargar gradualmente la
máquina, desconectando las resistencias y reactancias y
simultáneamente actuando sobre la velocidad (Re M ) y la
tensión para evitar superen los valores nominales, hasta
que hayamos desconectando toda la carga y en ese instante abrimos
L1). Debemos actuar sobre la excitación del alternador y
sobre la velocidad de la maquina de impulso, sucesivamente y en
ese orden las veces que sea necesario hasta obtener
tensión nominal y frecuencia nominal. 6 Ajuste de la
tensión y frecuencia a sus valores nominales: Aumentamos
la excitación del alternador (aumentando la tensión
que nos entrega el autotransformador) hasta lograr que el
alternador genere la tensión nominal. Este aumento de
tensión origina un aumento de la potencia activa que
entrega el alternador(esto hace aumentar el par resistente) y por
ello disminuyen la velocidad y frecuencia.
23 Igualdad de fase (Gp:) CARGA (Gp:) S, P, Q (Gp:) RED Maniobra
de sincronización y puesta en paralelo con la red Los
generadores que integran una red eléctrica están
conectados en paralelo entre sí formando lo que
denominamos Red Decimos que la Red es de”Potencia
Infinita” con ello queremos significar que la suma de las
potencias de todos los generadores es mucho mayor que la potencia
de nuestro generador (el que pretendemos conectar en paralelo con
la red), por ello nosotros no podemos imponer “nuestras
condiciones”, si pretendemos conectarnos en paralelo con
ellos debemos ajustarnos a las condiciones que ellos (la Red) nos
imponen : Igualdad de secuencia Igualdad de frecuencia Igualdad
de los módulos de tensión
24 (Gp:) RED (Gp:) R (Gp:) S (Gp:) T Iniciamos la maniobra de
sincronización, cerrando la llave que comanda el tablero
seccional Nº 8 con lo cual se encienden las lámparas
de sincronización LS. (recordar que la llave L1 esta
abierta, no conecta ni la red ni la carga). Las lámparas
son como voltímetros conectados entrecada fase de la red y
de nuestra máquina. (Gp:) U (Gp:) V (Gp:) W (Gp:)
ALTERNADOR L1
25 Si conectamos la máquina con secuencia inversa a la red
se produce un cortocircuito,además de una brusca
solicitación mecánica (Cupla en el eje)que puede
romper el eje y sacar a la máquina de sus fundaciones, y
si la potencia de la maquina es grande, puedo inestabilizar la
red. Entendemos por inestabilizar la red, que no puedan
mantenerse en el tiempo los valores de tensión y
frecuencia nominales a) encendido pulsante con distinto brillo
instantáneo, alcanzando el brillo máximo cada fase
sucesivamente, dando la apariencia de giro de la luz. b)
encendido constante con distinto brillo en las tres fases. c)
encendido pulsante igual brillo instantáneo en las tres
fases d) encendido constante con igual brillo en las tres fases
Sabemos que la red tiene secuencia directa, observando el
encendido de las lámparas de sincronización si
estamos en los casos a) o b) la máquina tiene distinta
secuencia que la red, para igualar secuencias permutamos dos
conexiones en la llave L1. Una vez asegurada la igualdad de
secuencia, debemos lograr la igualdad de frecuencia.se
presentaran dos casos c) o d) si estamos en el caso d) se
verifica la igualdad de frecuencia, si estamos en el c) las
frecuencias son distintas, debemos modificar la velocidad de la
máquina de impulso (variando ReM ,cuanto mas lento sea la
pulsación de la luz más próximas
estarán las frecuencias, cuando las frecuencias se igualen
estaremos en d) primeramente verificaremos la igualdad de
secuencia:
26 A continuación se debe asegurar la igualdad de
módulos de ambas tensiones, actuando sobre la
tensión de excitación del alternador y midiendo las
tensiones de Red y Máquina Si estamos en el f) no hay
igualdad de fase entre ambas ternas, para lograr la igualdad,
actuaremos sobre ReM ,corrigiendo levemente la velocidad de la
máquina, el encendido de las lamparas pulsará
lentamente, en el instante en que las lámparas se apaguen
cerramos L1 y conectamos en paralelo la máquina. En ese
instante se pueden presentar dos situaciones: e)las
lámparas están todas apagadas, f) las
lámparas están todas encendidas Si estamos en el
caso e), habremos cumplido las cuatro condiciones y podemos
conectarnos en paralelo, para ello cerramos L1 hacia el Lado
RED.
27 (Gp:) Situación Inicial (Gp:) SRED (Gp:) TRED (Gp:)
RMÁQ (Gp:) TMÁQ (Gp:) SMÁQ (Gp:) ?U (Gp:) ?U
(Gp:) ?U (Gp:) ?RED (Gp:) ?MAQ (Gp:) RRED (Gp:) Igualdad de
Secuencia (Gp:) SRED (Gp:) TRED (Gp:) RMÁQ (Gp:)
SMÁQ (Gp:) TMÁQ (Gp:) ?U (Gp:) ?U (Gp:) ?U (Gp:)
?MAQ (Gp:) ?RED (Gp:) RRED (Gp:) igualdad entre módulos de
tensión de Red y Máquina (Gp:) SRED (Gp:) TRED
(Gp:) RMÁQ (Gp:) SMÁQ (Gp:) ?U (Gp:) ?U (Gp:) ?U
(Gp:) ?RED (Gp:) ?RED (Gp:) TMÁQ (Gp:) RRED (Gp:) ?U= 0
(Gp:) TMÁQ =TRED (Gp:) RMÁQ = RRED (Gp:)
SMÁQ = SRED (Gp:) ?U= 0 (Gp:) ?U = 0 (Gp:) ?RED (Gp:)
igualdad entre módulos y fase de tensión de Red y
Máquina
28 Estando la máquina ya conectada en paralelo con la red,
los amperímetros indicaran IR =IS =I T = 0 y WRST = 0 lo
que nos indica que no estamos entregando potencia a la red. 8
Entrega de Potencia Activa a la Red Para entregar potencia activa
a la red debemos acelerar el rotor para lo cual actuaremos sobre
la velocidad de la máquina de impulso, y los
amperímetros y el wattímetro indicaran lecturas
distintas de cero. (Gp:) Con la máquina de impulso por
medio de la cupla motora regulo la potencia activa que entrego a
la Red Podemos concluir que:
29 Con la excitación regulo la potencia reactiva que
entrego a la Red Se desprende de esto que: 10 Se sobreexcita al
alternador: Si aumentamos el valor de E la corriente que entrega
el alternador disminuirá pasará por un
mínimo luego volverá a crecer y pasara a estar en
atraso respecto de la tensión Si partimos de la
mínima corriente necesaria para entregar un determinado
valor de potencia activa , manteniendo la potencia activa
constante, disminuimos la tensión de excitación que
nos entrega el autotransformador al disminuir E, la corriente
pasa de estar en fase con la tensión a adelantarse a la
tensión, la maquina además de entregar un valor de
potencia activa, entrega potencia reactiva inductiva. 9 Se
subexcita al alternador: Si observamos el diagrama fasorial
siguiente observamos que: El extremo del fasor que representa a
E(tensión de excitación) se desplaza sobre una
recta de forma tal que Esen? = cte, El extremo del fasor
representativo de la corriente de carga del alternador I
también se desplaza sobre una recta de forma que Icos?
=cte.
30 I1 U(tensión de fase) = cte jXSI1 E1 I2 E2 E3 I3 jXSI3
jXSI2 ?3 ?2 ?1= 0 Si tenemos carga inductiva hay que sobreexcitar
para mantener la tensión constante Si tenemos carga
capacitiva debemos subexcitar para mantener la tensión
constante. GENERADOR En horas de gran consumo la máquina
suministra la potencia activa requerida y como el factor de
potencia de la carga es inductivo la tensión
tendería a disminuir de su valor nominal, sobreexcitando
la máquina se compensa el factor de potencia de la carga y
se mantiene el valor de tensión. En horas de baja
carga,principalmente durante la madrugada, los cables con baja
carga representan una carga capacitiva, por lo cual la
tensión tendería a aumentar por arriba de su valor
nominal, por ello subexcitando las máquinas se logra bajar
el factor de potencia y mantener la tensión en su valor
nominal. (Gp:) Ef (Gp:) xs (Gp:) – (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) – (Gp:)
U (Gp:) I (Gp:) representando el circuito equivalente de la
máquina sincrónica,
31 11 Funcionamiento como motor Se reduce la excitación
del alternador, disminuimos la velocidad de la maquina de
impulso(disminuye la corriente continua que consume y que medimos
con el Amp. A de cc) y el rotor se va retrasando hasta que la
corriente de carga del alternador y la potencia entregada a la
Red son nulas, ( lecturas amperímetros y
wattímetros iguales a cero),si continuamos reduciendo la
velocidad de la maquina de impulso, en un instante dado, la
lectura de la corriente continua que absorbía dicha
máquina se anula, y las lecturas de los wattímetros
se hacen negativas, lo que nos esta indicando que se
invirtió el sentido del flujo de potencia, (notar que no
cambio el sentido de giro de la maquina). Aquí se
comprueba que las máquinas eléctricas son
reversibles( Lenz ) En estas condiciones la máquina
sincrónica -ahora trabajando como motor- representa un
inductor para la red. Si sobreexcitamos, representará un
capacitor.
32 SRED TRED ?RED RRED Ensayo Nº 3 SRED TRED ?RED RRED
Ensayo Nº 6 SRED TRED ?RED RRED Ensayo Nº 8 SRED TRED
?RED RRED Ensayo Nº 9
33 Bibliografía: Guía de Trabajos Prácticos
Electrotecnia General “A” (45.01) Apuntes de la
Cátedra Electrotecnia General “A” (65.03)
autor Ing. Julio Alvarez Máquina de Corriente Continua
-Maquina Asincrónica Campo Rotante autor Ing. Alejando E.
de los Ríos Teoría y Análisis de las
Máquinas Eléctricas autores Fitzgerald Kingsley
Kusko Ingeniería de la Energía Eléctrica
Tomo II (Máquinas) autor Ing. Marcelo Sobrevila