PUESTA EN MARCHA DE MQUINA SNCRONA COMO GENERADOR

Oswaldo Arellana Cervantes, Fabio Miguel Prez Caamao, Ailin Steffany Prens Jimnez, Carlos Manuel Rivera Imitola, Marjorie Santiago Meja, Andrs Camilo Vargas Quintero.ING. Jorge Eliecer Balaguera Mantilla Cdigo 212L5 Mesa 2. 29-10-2014 Laboratorio de Mquinas Elctricas II, Universidad de la Costa, Barranquilla

UNIVERSIDAD DE LA COSTAFACULTAD DE INGENIERALABORATORIO DE MQUINAS ELCTRICAS II

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Resumen

Las maquinas sncronas, como sabemos son mquinas con alto rendimiento ya sea empleadas como motores o como generadores, para esta experiencia se empleara como un generador, impulsado por un motor asncrono, del cual se le regulara la velocidad para observar que cambios presenta a nivel de la potencia y tensin generada, continuamente a esta forma de regulacin se alterara la corriente inducida en el rotor, por parte de una fuente de CC, esto de igual manera para ver como el cambio en el campo generado en el rotor infiere en la tensin generada. Como bien sabemos esta forma de implementacin no es ms que en l vida real se emplea una turbina que hace las veces de impulsor externo del rotor hacindolo girar, donde esta misma parte (el rotor), tendr acoplada un fuente de CC de excitacin independiente variable que generara un flujo constante, como hemos mencionado, pero al estar acoplado con el rotor, se crea un campo magntico giratorio estudiado en los teoremas de Ferraris, generando un sistema trifsico de tensin en sus bornes de salida.

Palabras clavesGenerador sncrono, maquina sncrona, teorema de Ferraris

Abstract

Synchronous machines, as we know they are machines with high performance whether used as motors or generators, for this experience were to be used as a generator driven by an induction motor, which will regulate the speed to observe changes present level the power and voltage generated, thereby continuously adjusting the current induced in the rotor is altered, by a DC source, this likewise to see how the change in the field generated in the rotor in the voltage generated infers. As we know this form of implementation is not only in real life l a turbine which acts as an external drive by rotating the rotor, where the same part (rotor) have engaged one variable DC source is used separately excited to generate a steady stream, as mentioned, but being coupled to the rotor, a rotating magnetic field studied theorems Ferraris, generating a three-phase system voltage at its output terminals is created.

Key wordsSynchronous generator, synchronous machine, theorem Ferraris...

1. Introduccin

EL generador sncrono es un tipo de mquina elctrica rotativa capaz de transformar energa mecnica (en forma rotacional) en elctrica. Est compuesto principalmente de una parte mvil o rotor y de una parte fija o estator. En la prctica se usan como generadores de energa elctrica de corriente alterna (alternadores) en las centrales elctricas a partir de fuentes primarias de energa hidrulica, trmica o nuclear.

En la generacin de energa elctrica a pequea escala se emplean alternadores acoplados a motores de combustin interna, son los llamados grupos electrgenos, que se usan como equipos de emergencia en hospitales, aeropuertos, etc. [1].

Durante 1831 y 1832, Michael Faraday descubri que un conductor mecnico movindose en un campo magntico generaba un deferencial de potencia. Aprovechando esto construyo el primer generador electromagntico, el disco de Faraday, un generador homopolar, empleando un disco de cobre que giraba entre los extremos de un imn con forma de herradura, generndose una pequea corriente continua. Tambin fue utilizado como generador de energa elctrica en bicicletas (primeros principios de la generacin de energa mecnica a energa elctrica), para alimentar bombillas de poca intensidad.

El dimano fue el primer generador elctrico apto para uso industrial, pues fue el primero basado en los principios de Faraday. Fue construido en 1832 por el fabricante francs de herramientas Hippolyte Pixii. Empleaba un imn permanente que giraba por medio de una manivela. Uno de los usos ms comunes que se le dio a la dinamo fue el de generador de energa elctrica para automvil [2].

2. Fundamentos Tericos

2.1. Mquinas sncronas:Unamquina sncronaes unamquina elctricarotativa decorriente alternaque convierteenerga elctricaenenerga mecnica, siendo en este caso utilizada comomotor sncrono, o bien convierte energa mecnica en energa elctrica, siendo en este caso utilizada como [generador sncrono], o sin carga como compensador sncrono.Lasmquinas sncronasse utilizan en mayor medida comogeneradoresdecorriente alternaque como motores de corriente alterna, ya que no presentan par de arranque y hay que emplear diferentes mtodos de arranque y aceleracin hasta la velocidad de sincronismo. Tambin se utilizan para controlar la potencia reactiva de la red por su capacidad para, manteniendo la potencia activa desarrollada constante, variar la potencia reactiva que absorbe o cede a la red. [2]Se utilizan en mayor medida como generadores decorriente alternaque comomotoresde corriente alterna, ya que no presentan par de arranque y hay que emplear diferentesmtodosde arranque y aceleracin hasta la velocidad de sincronismo. Tambin se utilizan para controlar la potencia reactiva de laredpor su capacidad para, manteniendo la potencia activa desarrollada constante, variar la potencia reactiva que absorbe o cede a la red.

La mquina sncrona es una mquina reversible ya que se puede utilizar como generador de corriente alterna o como motor sncrono. Est constituido por dos devanados independientes: Un devanado inductor, constituido en forma de arrollamiento concentrado o distribuido en ranuras, alimentado por corriente continua, que da lugar a los polos de la mquina y que se coloca en el rotor. Un devanado inducido distribuido formando un arrollamiento trifsico recorrido por corriente alterna ubicado en el estator que est construido de un material ferromagntico, generalmente de chapas de acero de silicio.Las mquinas como hemos mencionado pueden ser motores sncronos o generadores sncronos:A. Motor sncrono:Losmotores sncronosson un tipo demotor de corriente alternaen el que la rotacin del eje est sincronizada con la frecuencia de la corriente de alimentacin; el perodo de rotacin es exactamente igual a un nmero entero de ciclos de CA. Su velocidad de giro es constante y depende de lafrecuenciade la tensin de la red elctrica a la que est conectada y por el nmero de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo". Este tipo de motor contiene electromagnetos en elesttordel motor que crean un campo magntico que rota en el tiempo a esta velocidad de sincronismo.La expresin matemtica que relaciona la velocidad de la mquina con los parmetros mencionados es:

Dnde: f: Frecuencia de la red a la que est conectada la mquina (Hz). P: Nmero de pares de polos que tiene la mquina. p: Nmero de polos que tiene la mquina. n: Velocidad de sincronismo de la mquina (revoluciones por minuto).Por ejemplo, si se tiene una mquina de cuatro polos (2 pares de polos) conectada a una red de 50 Hz, la mquina operar a 1.500revoluciones por minuto.Funcionan de forma muy similar a un alternador. Dentro de la familia de los motores sncronos debemos distinguir: Los motores sncronos. Los motores asncronos sincronizados. Los motores de imn permanente.Los motores sncronos son llamados as, porque la velocidad del rotor y la velocidad del campo magntico del estator son iguales. Los motores sncronos se usan en mquinas grandes que tienen una carga variable y necesitan una velocidad constante. [4]

B. Generador sncrono:Es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial elctrico entre dos de sus puntos (llamados polos, terminales o bornes) transformando la energa mecnica en elctrica. El generador sncrono est compuesto principalmente de una parte mvil o rotor y de una parte fija o estator, el principio de funcionamiento de un generador sncrono se basa en laleyde Faraday. Para crear tensin inducida en el (estator), debemos crear un campo magntico en el rotor o circuito de campo, esto lo lograremos alimentado el rotor con una batera, este campo magntico inducir una tensin en el devanado de armadura por lo que tendremos unacorriente alternafluyendo a travs de l.

PARTES DE UN GENERADOR SNCRONOstos se hallan formados por varios elementos, sin embargo, las partes principales son: el estator, la carcasa, la base, el rotor, la caja de conexiones, las tapas y los cojinetes. No obstante, un motor puede funcionar solo con el estator y el rotor.

Imagen 1: Partes de un generados sncrono.

2.1.1. Aspectos constructivos:La mquina sncrona es una mquina reversible ya que se puede utilizar como generador de corriente alterna o comomotorsncrono. Est constituido por dos devanados independientes:A. Un devanado inductor, construido en forma de arrollamiento concentrado o distribuido en ranuras, alimentado por corriente continua, que da lugar a los polos de la mquina y que se coloca en el rotor.B. Un devanado inducido distribuido formando un arrollamiento trifsico recorrido por corriente alterna ubicado en el estator que est construido de un material ferromagntico, generalmente de chapas deaceroal silicio.

Laestructuradel rotor puede ser en forma de polos salientes o de polos lisos como se ve en la Imagen 2 si el motor tuviese solo un par de polos.

Imagen 2: tipos de construcciones de mquinas sncronas, donde se observan los dos diferentes polos unos salientes y unos lisos.

2.1.2. Principio de funcionamiento:Si a un alternador trifsico se le retira la mquina motriz y se alimenta su estator mediante un sistema trifsico de corriente alterna se genera en el estator un campo magntico giratorio, cuya velocidad sabemos que es N = 60 f/p donde f es la frecuencia de la red, y p es el nmero de pares de polos del rotor. Si en estas circunstancias, con el rotor parado, se alimenta el devanado del mismo con corriente continua se produce un campo magntico rotrico fijo, delante del cual pasa el campo magntico del estator. Los polos del rotor estn sometidos ahora a atracciones y repulsiones en breves periodos detiempo, por parte de los polos del estator pero el rotor no consigue girar, a lo sumo vibrar.

Al llevar el rotor a la velocidad de sincronismo, hacindolo girar mediante un motor auxiliar, al enfrentarse polos de signo opuestos se establece un enganche magntico que les obliga a seguir girando juntos, pudiendo ahora retirar el motor auxiliar. Este enganche magntico se produce ya que el campo giratorio estatrico arrastra por atraccin magntica al rotor en el mismo sentido y velocidad.

Imagen 3: Principio de funcionamiento de un motor sncrono.

Se observa claramente dos conductores del inducido enfrentando a dos polos consecutivos del rotor para dos instantes de tiempo consecutivos. Se puede concluir que si el rotor est en reposo o gira a otra velocidad diferente a la de sincronismo, el par medio que desarrolla al conectarlo a la red es nulo por lo que el motor no arranca.

Una forma ms sencilla de captar como es el funcionamiento de un motor sncrono se explica en el siguiente esquema.

Esquema 1: Principio de funcionamiento de un motor sncrono detallado.

2.2. Generador sncronoEs un tipo de mquina elctrica rotativa capaz de transformar energa mecnica (en forma rotativa) en energa elctrica. Su principio de funcionamiento consiste en la excitacin de flujo en el rotor.

El generador sncrono est compuesto principalmente de una parte mvil o rotor y de una parte fija o estator.

El rotor gira recibiendo en empuje externo desde (normalmente) una turbina. Este rotor tiene acoplada una fuente de corriente continua de excitacin independiente variable que genera un flujo constante, pero que al estar acoplado al roto, crea un campo magntico giratorio, que genera un sistema trifsico de fuerza electromotrices en los devanados estatricos.

La principal diferencia que estos poseen en comparacin con la generacin de un voltaje con una maquina asncrona, radica en la construccin del rotor o para este caso tambin conocido como inductor, pues es la parte que induce el voltaje al estator. El rotor gira concntricamente en el eje del generador a una velocidad sincrnica gracias a la induccin de un campo magntico en l [3]. Observamos la composicin de un generador elctrico en el anexo 1.

2.2.1. Tipos constructivos.La principal diferencia entre los diferentes tipos de generadores sncronos, se encuentra en su sistema de alimentacin en continua para la fuente de excitacin situada en el rotor.

Excitacin independiente: excitacin de corriente continua que alimenta al rotor a travs de un juego de anillos rozantes y escobillas. Excitatriz principal y excitatriz piloto: la mquina principal de excitado tiene como bobinado de campo otra mquina de excitacin independiente, accionada por el mismo eje. Excitacin de potencia: desde la salida trifsica de la caja de bornes se conecta una lnea a un rectificador, para la rectificacin de la corriente alterna a directa y suministrar al eje del rotor una seal rectificada para la creacin del campo.

3. Desarrollo experimentalCon los materiales entregados y con la informacin previa sobre las mquinas sincrnicas, realizar las siguientes mediciones y observaciones:

3.1. Realizar los acoples mecnicos necesarios para hacer girar la mquina sncrona.

3.2. Realizar las conexiones elctricas necesarias para lograr que la mquina sncrona genere una diferencia de potencial.

3.3. Incrementar paulatinamente la velocidad del sistema hasta lograr que la mquina sncrona este a un 40% de su velocidad nominal.

3.4. Aplicar Voltaje DC al rotor e incrementar lenta y cuidadosamente el valor de la corriente de campo, hasta poder hacer medicines de voltaje y de frecuencia a los extremos del estator de la mquina sncrona; llevar el generador hasta condiciones nominales de funcionamiento..3.5. Teniendo una carga elctrica aplicada a la salida de la mquina sncrona, medir los parmetros elctricos de la potencia que est entregando el generador.

4. Clculos y anlisis De Resultados

4.1. Primeramente identificamos la placa del motor a tratar para observar cuales son su funcionamiento nominal.

Imagen 4: Placa del motor sncrono empleado en la experiencia. 4.2. Despus se realiza el montaje de la puesta en marcha de un motor asncrono para ser conectado a una maquina sncrona que cumplir las veces de generadora sncrona:

Esquema 2: lgica cableada de la puesta en marcha del motor asncrono a emplear.

Imagen 5: Montaje de la experiencia # 15 donde se pone en funcionamiento un generador sncrono, junto a una carga resistiva.

4.3. Determinado las conexiones a realizar y el montaje de la experiencia se procede a realizar una variacin en la velocidad del eje por lo que el campo no va presentar ningn cambio:Campo Constante

Velocidad del impulsor [RPM]Velocidad Generador [RPM]Tensin Lnea [V]

846,21834114,5

9912145133,1

12842745168,4

14363076187,9

15943426207,3

16933624218,9

Campo Constante

Tensin Fase [V]Frecuencia [Hz]Corriente lnea [A]

66,830,60,3

77,535,80,3

97,845,80,3

109,351,70,3

120,557,40,2

128,960,30,2

Tabla 1: Valores medidos cono los diferentes elementos donde la velocidad del eje se ha ido variando de acuerdo al esquema 2, donde se puede hacer n control de velocidad por la variacin de frecuencia esto para el motor asncrono que cumple las funciones de agente de excitacin del eje del rotor del generador elctrico.

4.4. Para esta experiencia necesitamos de los siguientes implementos: Tacmetro:Untacmetroes un dispositivo que mide la velocidad de giro de un eje, normalmente la velocidad de giro de un motor. Se mide enrevoluciones por minuto(RPM). Actualmente se utilizan con mayor frecuencia los tacmetros digitales, por su mayor precisin.

Carga (Bombillos Incandescentes)Es un dispositivo que produceluzmediante el calentamiento porefecto Joulede un filamento metlico, en concreto dewolframio, hasta ponerlo alrojo blanco, mediante el paso decorriente elctrica. Con la tecnologa existente, actualmente se consideran pocoeficientesya que el 85% de la electricidad que consume la transforma encalory solo el 15% restante en luz.

Imagen 6: Carga empleada en la experiencia para corroborar que se est generando un voltaje en el generador.

Pinza Vatimtrica:Esta pinza Vatimtrica mide corriente continua y alterna y cuenta con las funciones bsicas de tensin continua y alterna, resistencia, frecuencia, trnsito y diodos. Es una pinza Vatimtrica muy til para el servicio tcnico de pequeos electrodomsticos debido a sus reducidos dimetros de 30 mm.

Multmetro:Unmultmetro, tambin denominadopolmetro,otester, es un instrumento elctrico porttil para medir directamente magnitudes elctricas activas como corrientesypotenciales(tensiones) o pasivas comoresistencias, capacidades y otras.Las medidas pueden realizarse paracorriente continuaoalternay en varios mrgenes de medida cada una. Los hayanalgicosy posteriormente se han introducido losdigitalescuya funcin es la misma (con alguna variante aadida).

Imagen 7: Implementos utilizados en la prctica. Fuente:Model: peaxtech 2235.Input: ~115V/230V, 50/60Hz.Fuse: 115V/15A, 23V/8A.Power: 150w+1125w.Output: 0-30/0-5A 5V/3A~0-205V/4.5A.Serial No: 091174615

Imagen 7: Fuente CC.

Variador de frecuencia: Altivar 71 Variador Estndar Schneider Electric

Imagen 7: Variador de frecuencia Schneider.Variador para potencias de 0,37 a 630 kW. La gama de variadores de velocidad Altivar 71 permite satisfacer las mayores exigencias gracias a diferentes tipos de mandos motor y numerosas funcionalidades integradas. Est adaptada a los elementos ms exigentes: Precisin de velocidad y par a velocidad muy baja, dinmica elevada con control vectorial de flujo con o sin captador. Gama de frecuencia ampliada para los motores de alta velocidad. Puesta en paralelo de motores y elementos especiales gracias a la ley de tensin/frecuencia. Precisin de velocidad esttica y ahorro de energa para los motores sncronos de lazo abierto. Flexibilidad sin sacudidas para las mquinas de equilibrado con el ENA. System (Energy Adaptation System).Los variadores de frecuencia estn compuestos por: Etapa Rectificadora.Convierte la tensin alterna en continua mediante rectificadores de diodos, tiristores, etc. Etapa intermedia.Filtro para suavizar la tensin rectificada y reducir la emisin de armnicos. Inversor o "Inverter".Convierte la tensin continua en otra de tensin y frecuencia variable mediante la generacin de pulsos. Actualmente se emplean IGBTs (Isolated Gate Bipolar Transistors) para generar los pulsos controlados de tensin. Los equipos ms modernos utilizan IGBTs inteligentes que incorporan un microprocesador con todas las protecciones por sobre corriente, sobre tensin, baja tensin, cortocircuitos, puestas a masa del motor, sobre temperaturas, etc. Etapa de control.Esta etapa controla los IGBT para generar los pulsos variables de tensin y frecuencia. Y adems controla los parmetros externos en general, etc.Los variadores ms utilizados utilizan modulacin PWM (Modulacin de Ancho de Pulsos) y usan en la etapa rectificadora puente de diodos rectificadores. En la etapa intermedia se usan condensadores y bobinas para disminuir las armnicas y mejorar el factor de potencia. El fabricante que utilizan bobinas en la lnea en lugar del circuito intermedio, pero tienen la desventaja de ocupar ms espacio y disminuir la eficiencia del variador.El Inversor o Inverter convierte la tensin continua de la etapa intermedia en una tensin de frecuencia y tensin variables. Los IGBT envan pulsos de duracin variable y se obtiene una corriente casi senoidal en el motor.La frecuencia portadora de los IGBT se encuentra entre 2 a 16kHz. Una portadora con alta frecuencia reduce el ruido acstico del motor pero disminuye el rendimiento del motor y la longitud permisible del cable hacia el motor. Por otra parte, los IGBTs generan mayor calor.Las seales de control para arranque, parada y variacin de velocidad (potencimetro o seales externas de referencia) estn aisladas galvnicamente para evitar daos en sensores o controles y evitar ruidos en la etapa de control.

4.4. Procedemos a realizar el circuito equivalente del motor utilizado las tablas 1 y 2, con estos valores procedemos a organizar para definir el circuito equivalente del motor sncrono:

Ya conociendo estos valores procedemos a la identificacin del circuito equivalente:

Esquema 2: Circuito equivalente de motor trabajado en la prctica #13.

4.5. Se procede a realizar la grfica del voltaje en funcin de la velocidad:

Grafica 1: Voltaje Vs Velocidad

Como se puede apreciar en la grfica se nota claramente a medida que se le suministra una mayor velocidad de giro al eje este desarrolla un mayor voltaje en su lnea. Con esto observamos que la variacin para la generacin se puede presentar por la capacidad de generar rotacin del impulsor del eje.

5. Conclusiones

5.1. La presencia de conductores dentro de un campo magntico y que exista un movimiento relativo entre el campo y los conductores, origina una diferencia de potencial a los extremos de los mismos conductores all ubicados. Se puede ver tanto en la grfica desarrollada como el voltaje est fuertemente ligado a la capacidad de giro del eje por parte de cualquier mecanismo mecnico, turbina motor entre otros, es donde entra el ajuste automtico de la corriente de excitacin en el rotor para cuando se presente una reduccin de la velocidad del eje por parte de la excitacin mecnica se suministre mayor corriente para consigo aumentar el valor del voltaje generado, esto a causa de que el voltaje generado por la generadora sincrnica est ligada a la corriente que se le suministre al rotor.

Bibliografa

[1] Fundamentos de ingeniera elctrica, tema 9: maquinas sncronas, Universidad de la Laguna. [En lnea]. Disponible en: https://campusvirtual.ull.es/ocw/pluginfile.php/2129/mod_resource/content/0/Temario/Tema9.pdf.

[2] Generador elctrico captulo 1, centrales termoelctricas. [En lnea]. Disponible en: http://www.linkedin.com/groups/Generador-electrico-capitulo-1-4550295.S.153371845.

[3] Generador sncrono, Wikipedia. [En lnea]. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Generador_s%C3%ADncrono.

ANEXO 1