IVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELAFACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICADEPARTAMENTO DE POTENCIA

LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS

INFORME # 3ENSAYOS DE MAQUINAS SINCRÓNICAS.

Maquina Sincronica.Westinhouse 3.5KVA; 3 fases;60 Hz; 120/208 V 16.8/9.7 A;

1200 r.p.m. Style:7B4833Serial:1-7B4833

Autores:Roger RiveroFausto Longo

Michael Garcia

INTRODUCCION:En el siguiente informe se realiza el estudio de una maquina eléctrica sincrónica,

marca WESTINHOUSE, bajo una alimentación de 208 V @9.7 A (Nominales), frecuencia de trabajo 60 Hz y velocidad de operación 1200 RPM.

El estudio se divide en dos partes básicas que son: Funcionamiento como generador. Funcionamiento como motor.

En modo generador se arranca la maquina a través de un primo motor (Maquina DC) y se ajusta a manera de obtener una velocidad permanente de 1200 R.P.M., para cualquier prueba realizada; El método de ajuste de velocidad utilizado es el del efecto estroboscopico (Método de ajuste para obtener deslizamiento “Cero”).

Se proponen dos modelos de la maquina sincrónica (Método de Benh Eschemburg y Potier) cuyos parámetros se determinan a través de cuatro pruebas: Medición de la resistencia estatórica. Medición de la curva de vacío. Medición de la curva de corto circuito. Prueba bajo carga capacitiva (FP=0).

Se realiza la medición de las curvas de carga para determinar el punto nominal de operación y se predetermina la curva de carga por los dos modelos obtenidos.

En funcionamiento como motor se arranca la maquina sincrónica con un primo motor (maquina DC) y se realiza el acoplamiento de esta a la red, luego se desconecta progresivamente la alimentación al primo motor logrando que la maquina se motorice, por ultimo se trazan las características externas (Curvas en “V”) y se realiza una comparación con las predeterminaciones de los dos modelos.

1. MEDICION DE LA REXIXTENCIA ESTATORICA:

Con el objeto de realizar la medición de la resistencia estatórica, se aplica una tensión reducida de modo de obtener una corriente DC del 10% de la nominal (Inom=16.7 A); por lo que se ajustó la tensión hasta 1.6 A DC. Se incluyo un reostato de 33 ohm por ser de valor reducido y soportar la corriente requerida; Inicialmente el reostato esta en mínimo de resistencia de modo que la corriente se decremente hasta lo que permita el reostato.

Montaje para la medición de Ra:

Los resultados correspondientes se recopilan en la hoja de laboratorio y los resultados se pueden apreciar en el Gráfico # 1.

Resultado del laboratorio fueron los siguientes:

Bobina 1 Bobina 2 Bobina 3Tensión Corriente Tensión Corriente Tensión Corriente

1.180.1 2.50.1 1.160.1 2.50.1 1.180.1 2.50.11.030.1 2.20.1 1.030.1 2.20.1 1.050.1 2.20.10.900.1 2.00.1 0.920.1 2.00.1 0.930.1 2.00.10.870.1 1.80.1 0.830.1 1.80.1 0.780.1 1.80.1

Se obtuvo una resistencia medida de 0.84 que equivale a dos resistencias estatóricas:

Ra=Rmedida/2=0.42 ohm.Ra=0.420.04 ohm

Por ultimo se refiere esta resistencia a la temperatura nominal de trabajo de 75º que resulta:

Ra=0.50.04 ohm

2. MEDICION DE LA CURVA DE VACIO:

Para la medición de esta curva se realizó el montaje que sigue:

Observación: los amperímetro y voltímetros colocado en el estator de la máquina sincrónica son de hierro móvil

Condiciones de la prueba:

Se arrancó el motor DC (reóstato de arranque) con el reóstato de campo en mínimo para máximo par de arranque.

Se ajusta el reóstato de campo (máquina DC) hasta obtener una velocidad de 1200 R.P.M. (ajuste con efecto estroboscopico).

Energizar y desenergizar el campo de la maquina sincrónica a razón de recorrer la curva de histéresis magnética varias veces.

Se tomen en forma ascendente los valores de Iexc de campo y tensión de salida en vacío (sin efectuar retrocesos).

Una vez alcanzado un 125% del valor de tensión nominal se efectúa el retorno con disminuciones progresivas sin efectuar retrocesos.

El resultado de esta prueba se observa en la Gráfica # 2, y se realiza un promedio de las dos curvas para obtener una única curva de vacío que se aprecia en el Gráfico # 3.Nota: Durante la prueba será necesario ajustar la velocidad después de cada medición.

3. CURVA DE CORTOCIRCUITO A TENSIÓN REDUCIDAD:

Se cortocircuitan los terminales de estator y se procede entonces al arranque del primo motor ajustando la velocidad a 1200 R.P.M., el montaje se muestra a continuación:

Observación: los amperímetro y voltímetros colocado en el estator de la máquina sincrónica son de hierro móvil

Se realizó el ajuste del reóstato de campo hasta obtener una corriente de armadura aproximadamente igual a la nominal, el trabajo con corrientes de mas de 5 A obligan el uso de transformadores de corriente.

Se toman tres puntos diferentes y se recopilaron los datos en la hoja de laboratorio (Ver anexos).

La curva de cortocircuito puede observarse en la Gráfica # 7, pero por razones de comodidad en los cálculos posteriores se escala en un factor de “2” y se coloca junto a la de vacío (Posterior calculo de parámetros de Benh Eschemburg).

4. CURVA DE CARGA FP = 0:

Se procede a acoplar a la salida del generador una carga capacitiva (banco trifásico de capacitancias) y se arranca nuevamente el sistema primo motor, se ajusta la velocidad en 1200 R.P.M. y se conmutan los swiches para agregar capacitancia; se tomaron dos puntos de trabajo, necesarios para la determinación de los parámetros de Potier.

Se realizó este experimento con el siguiente montaje:

Observación: los amperímetro y voltímetros colocado en el estator de la máquina sincrónica son de hierro móvil

Dos puntos cercanos a la tensión nominal por seguridad, aunque en los cálculos de los parámetros de Potier solo uno interviene.

5. CURVA DE CARGA F.P= 1

Siguiendo el mismo procedimiento y montaje que en “4” solo colocando una carga resistiva (caja de resistencia) se ajustó la tensión de salida a la nominal y se trazó la

característica Ia=f(Iexc) y luego ajustando a Iexc=Iexc nominal se trazó V=f(Ia); a partir de estas curvas cuyos datos están en lo anexos de laboratorio, se procede de manera gráfica a determinar el punto de operación nominal de la maquina sincrónica; en la Gráfica # 5 se tiene que para Vnom=120 V se tiene una corriente de armadura de Ia=9.1 A y de la Gráfica # 4 se tiene que para Ia=9.1 A una excitación necesaria de Iexc=2.21 A (DC) luego queda determinado el punto de operación nominal.

Vnom=120 V por fase;Ia=9.1 A (ac); Iexc=2.21 A (dc)

6. Determinación de los valores característicos de la maquina sincrónica:

6.1 Parámetros de Benh Eschemburg:

Para la determinación de estos parámetros se dibujan en una misma gráfica (Gráfica # 6) la curva de vacío y cortocircuito; para una excitación nominal se toman los valores de Eo (Tensión de vacío) e Ia (corriente de armadura); luego siguiendo el método se tiene:

PA=15.5 A y PB=129V

Luego queda determinado completamente el modelo de Benh Eschemburg por fase de la siguiente manera:

Modelo de Benh Eschemburg:

Y con la curva de vacío se relaciona Eo con Iexc. 6.2 Parámetros de Potier:

Se puede apreciar en la Gráfica # 7 este proceso donde se trazó en una misma gráfica la curva de vacío, los puntos de carga (carga capacitiva) y el punto de excitación

correspondiente a la corriente de armadura en la prueba de cortocircuito. Gráficamente se realiza el proceso de obtención de los parámetros de donde se obtienen los siguientes resultados:

PH=0.75=Ia entonces =0.12

PoH=7=wIa entonces w=1.12

Modelo por fase de Potier:

Con la curva de vacío se relaciona Er con Iexc res luego Iexc se relaciona así:

7. Predeterminación de la curva de carga Ia=f(Iexc) para Vnom:

7.1 Método de Benh Eschemburg:

Partiendo del modelo se tiene lo siguiente:

Pero por tratarse de una carga resistiva se tiene que Ia y V están en fase, tomando como referencia a “V” se tiene:

Y tomando módulos se obtiene:

De la curva de vacío se relaciona Eo con Iexc luego asignamos diversos valores de Ia obteniendo los correspondientes valores de Iexc para Vnom=120 V. Los resultados se muestran en la Gráfica # 8

Nota: Los cálculos de construcción están en los anexos.

7.2 Método de Potier: partiendo del modelo de potier se tiene:

La razón de la carga puramente resistiva nos conduce al calculo de Eres de manera similar al caso de Benh Eschemburg.

Una vez calculado Eres en modulo y ángulo (ángulo de carga)

se tiene de la curva de vacío el modulo de Iexcres, el ángulo de Iexcres se obtiene sumando /2 en adelanto al ángulo de carga:

Luego si la referencia es tomada en el fasor “V” se tiene que:

Donde el modulo de Iexcres, , e Ia son conocidos, obteniéndose así Iexc; Luego realizando este proceso de manera repetitiva se construye la predeterminacion de Ia=f(Iexc) por el método de Potier.(Ver Gráfica # 8).

7.3 Comparación de métodos:

En la Gráfica # 8 se contratan las predeterminaciones de Benh Eschemburg y Potier con la curva real de carga (regulación); allí se observa que el método de Potier se ajusta mas a la realidad; Se nota además que la maquina se satura después de Iexc=2.9 Ay los

métodos están fuera de saturación. El método de Benh Eschemburg tiene buen comportamiento en la zona lineal pero el de Potier se comporta de manera similar estando o no saturada la maquina; Son aproximados los métodos debido a que no se toma en cuenta el efecto de los polos no lisos en la configuración de los métodos.

8- ACOPLAMIENTO A LA RED:

Acoplamiento sobre la red: Para acoplar el generador a la red se realiza el siguiente montaje:

Observación: los amperímetro y voltímetros colocado en el estator de la máquina sincrónica son de hierro móvil

Condiciones de la prueba:

Se arranca el generador a través del primo motor hasta que la velocidad sea de 1200 R.P.M..

Se ajusta el reóstato de campo de la maquina sincrónica hasta obtener una tensión de 208 V línea-línea.

Se cierran los interruptores K2 y las luces deberán encenderse y apagarse todas a la vez (asegurar la secuencia); Si encienden en secuencia (una y después otra), abrir K2 e invertir dos cualesquiera de los cables de alimentación de la red.

Una vez en secuencia y con el voltaje adecuado (208 V línea - línea) se cierran los interruptores K1 en el momento en que se apagan los bombillos.

Una vez efectuado el acoplamiento se puede progresivamente eliminar la tensión en la armadura de la maquina DC (Proceso de motorización de la maquina sincrónica), hasta desconectar la alimentación de la maquina DC esta ultima de motor pasara a ser generador y agregándole una carga se realizaran las mediciones de curvas en “V” de potencia.

9 -CURVA EN V A POTENCIA CONSTANTE:

Una vez realizado el proceso descrito en “8” se procede a cargar la maquina DC, y variando la Iexc se realizaran lecturas de Ia y de la potencia activa absorbida por el motor sincrónico. Para este montaje se hace necesario incluir 5 reostatos de campo, para poder imponer diferentes niveles de Iexc en cada curva de potencia.

Los datos obtenidos en esta prueba se recogen en la hoja de datos de laboratorio y se representan en el Gráfico # 9. Se incluye allí un estudio del factor de potencia a diferentes potencias de trabajo y referido a las lecturas indicadas por los Vatímetros de entrada.

Nota: P(activa)=W1+W2 y Q(reactiva)=3(W1-W2).

10.Predeterminación de curvas a potencia constante:

10.1Método de Benh Eschemburg:

10.1.1 Curvas a potencia constante:

En este caso se hace el estudio a 1500W y 2700W (Ver anexos Hoja de excel).

Primero se toma un rango de excursión de FP (factor de potencia) así: 0.5indFP0.5cap

Con el factor de potencia en cada caso se halla el ángulo de Ia (referencia Vfase)

Nota: En este momento la maquina es un motor por lo que el ángulo de Ia es rad.

El modulo de Ia se halla por la condición de potencia activa de entrada:

Nota: La potencia total se divide entre 3 para tener potencia por fase.Con los datos anteriores se obtiene Eo

(Referencia en el fasor V)

De la curva de vacío se halla Iexc.

Realizando este proceso para diferentes valores de FP se construye la curva de potencia constante.

10..1.2 Curvas para FP=1; 0.8 Ind; 0.8 Cap se realiza un proceso similar al descrito en 10.1.1 solo con la diferencia que el FP es fijo y se cambia la potencia por fase de manera que varíe entre 100W y 1200W obteniéndose así los puntos necesarios para la construcción de la gráfica.

El resultadode 10.1 y 10.2. se muestran en el Gráfico # 10 y los cálculos asociados están en los anexos.

10.2 Método de Potier:

Se utiliza un procedimiento similar al de 10.1. Con la diferencia que se obtiene Eres y se calcula el ángulo de carga ; así se puede calcular el ángulo de Iexcres y tomando como referencia el fasor “V” y teniendo en cuenta el ángulo asociado a Ia se calcula Iexc.

Para el calculo de las curvas de FP=1; 0.8Ind; 0.8 Cap. Se procede de igual forma variando la potencia y dejando fijo el factor de potencia.

El resultado se expresa en el Gráfico # 11 y los datos de construcción están detallados en los anexos.

Conclusiones:

La maquina sincrónica en funcionamiento como motor puede representar a la red eléctrica a la que este conectada, una carga inductiva, capacitiva o resistiva con la

modificación de la corriente de campo. Por lo que puede equilibrar redes muy inductivas suministrando los reactivos necesarios.

Los modelos de estudio de las maquinas sincrónicas no son tan precisos, sin embargo el método de Potier resulta una buena opción cuando se requiere cierto grado de precisión, mientras el método tome mas en cuenta diferentes factores, el modelo puede complicarse en alto grado, notemos que el solo hecho de incluir en el método de Benh Eschemburg la condición de saturación de la armadura, que da origen al método de potier, lleva consigo cierta complejidad en los cálculos que hacen que Potier aunque mas exacto, lo hace mas laborioso.

La elaboración de las gráficas en este informe pueden reducirse en complejidad si se utilizan herramientas matemáticas en donde se pueda hacer cálculos con numeración compleja, en el presente se realizaron los cálculos en Microsoft Excel.