UNIVERSIDAD DE CARABOBOFACULTAD DE INGENIERIA

DPTO. DE POTENCIALABORATORIO DE MAQUINAS II

PRACTICA DE LABORATORIO #4

Integrantes: Álvarez, Jesús 16400847 Hidalgo, Reinaldo 15977086

OBJETIVOS

Interpretar y describir la operación de un Alternador Sincrónico que funciona bajo carga, en forma aislada.

Graficar la variación de tensión que se manifiesta en los terminales de la máquina, cuando se producen variaciones en las corrientes de carga y se mantiene la frecuencia en un valor constante (variación de tensión, regulación de frecuencia).

Graficar la variación de frecuencia que experimenta la tensión en bornes de la máquina, cuando se producen variaciones en la corriente de carga y se mantiene constante el valor R.M.S. de la tensión en los terminales (variación de frecuencia, regulación de tensión).

PREPARACIÓN PREVIA

1) ¿ Es posible “quemar” el devanado inducido de un Alternador Sincrónico aún sin que esté entregando potencia activa a una carga ? Razone su respuesta.

R) No, no es posible debido a que la potencia activa permanece constante cuando se modifica el fasor Eo como la f.e.m inducida en vacío es proporcional a la excitación, variaciones de excitación no modifica la potencia activa generada; también estas variaciones de excitación influyen muy poco en la corriente.

2) ¿ Que ocurre con la velocidad de un alternador sincrónico si la potencia mecánica suministrada a su eje (Pm) es transitoriamente menor que la potencia eléctrica (Pe) entregada a la carga ?. Repita suponiendo lo contrario, es decir: Pm>Pe

R) i) Pm < Pe

Cuando la potencia mecánica (Pm) disminuye la maquina pierde velocidad, esto debido a que la potencia mecánica debe cubrir la componente de potencia activa, mas las perdida Joule y de movimiento del alternador.

ii) Pm > Pe

En este caso es contrario la maquina se acelera, es fácil pensarlo, ya que, si la potencia mecánica debe cubrir la potencia activa más las pérdidas por efecto Joule y movimiento, al disminuir Pe se aliviana la carga y se mueve mas rápido.

3) ¿ Qué es funcionamiento aislado ?. ¿ Qué es funcionamiento en paralelo con una red de potencia ? R) Funcionamiento aislado es cuando se tiene el generador solo para alimentar una carga especifica, o sea la potencia que requiera la carga será entregada únicamente por este generador; mientras que cuando se conecta a una red de potencia, la potencia a entregar a una carga será suplida por los dos generadores, de manera que si se reduce la velocidad en una de las maquinas permaneciendo la potencia de la carga constante, la reducción de potencia será suplida por el otro alternador a una frecuencia diferente.

Puede darse el caso en que la perdida se tal que el alternador se comporte como un motor, absorbiendo la potencia que suministra el otro.

FUNDAMENTACION TEORICA

Un generador sincrónico que funcione como fuente única, suministrando energía eléctrica a una carga, se comporta como una fuente de tensión alterna cuya frecuencia está determinada por la velocidad de la máquina motriz y el número de polos del alternador.

La corriente y el factor de potencia del mismo, están determinados por la excitación de la máquina, por su impedancia y por la naturaleza de la carga.

El funcionamiento de un alternador bajo carga varía enormemente, dependiendo del factor de potencia de la carga y de si el generador está funcionando solo o en paralelo con otros generadores sincrónicos. Aquí trataremos de alternadores que funcionan aisladamente.

Para entender las características de un alternador funcionando aisladamente, trataremos un alternador que suministrará una potencia a una carga determinada. Un incremento en la carga es un incremento en la potencia real o activa que sale del generador; tal aumento de carga, incrementa la corriente de carga obtenida del generador. Como la resistencia de campo no ha sido modificada, la corriente de campo es constante y por consiguiente el flujo es constante. Puesto que el motor primario también conserva una velocidad constante , la magnitud del voltaje generado internamente Ea = K.. es constante.

Si Ea es constante, entonces, ¿qué varía al modificarse la carga? La manera de averiguarlo es elaborando un diagrama fasorial que muestre un aumento en la carga teniendo en cuenta las limitaciones del generador.

Primero examinemos el generador que funciona con un factor atrasado de potencia: si aumenta la carga en el mismo ángulo con relación a V , como estaba anteriormente. Entonces, la tensi+on de reacción del inducido jXs.Ia es mayor que antes pero con el mismo ángulo. Ahora, puesto que

Ea = V + jXs.Ia

JXs.Ia se debe localizar entre V, en un ángulo de 0° y ea, el cual está limitado a tener la misma magnitud, que antes del aumento de la carga. Si se elabora una gráfica de estas limitaciones en un diagrama fasorial,

hay solo un punto en el cual la reacción del inducido puede ser paralela a su posición original cuando aumenta de tamaño. La gráfica resultante se muestra en la siguiente figura Ea’ jXsIa’ Ea jXsIa Ia V V’ Ia’

Si se observan detenidamente las limitaciones, entonces se podrá ver que mientras aumenta la carga, el voltaje V disminuye drásticamente.

Ahora, si se supone que el generador está cargado con cargas de factor de potencia unitario, ¿qué sucede si se añaden nuevas cargas con el mismo factor de potencia? Con las mismas limitaciones de antes, se puede ver que en esta posibilidad V sólo disminuye ligeramente. Véase la siguiente figura

Ea’ Ea Ia Ia’ V’ V

Finalmente, supongamos al generador con carga de factor de potencia en adelanto: si se agregan nuevas cargas con el mismo factor de potencia en esta ocasión la tensión de reacción de inducido permanece por fuera de su valor previo y V sube. Según la siguiente figura se puede ver lo antes dicho

Ea’ Ia’ jXsIa’ Ia Ea jXsIa

V V’

En este último caso, un aumento de la carga del generador produjo un aumento en la tensión en los bornes; tal resultado no es algo que pueda esperarse, si sólo nos basamos en la intuición.

Una forma de comparar el comportamiento de la tensión de dos generadores es por medio de su regulación de voltaje. La regulación de voltaje (RV) de un generador se define por la ecuación

en donde Vsc es la tensión en vacío y Vpc la tensión a plena carga del generador. Un generador sincrónico que funciona con un factor de potencia en atraso tiene una regulación de voltaje positiva, bastante elevada; trabajando con un factor de potencia unitaria, tiene una baja regulación de voltaje positiva y funcionando con un factor de potencia en adelanto, con frecuencia tiene una regulación de voltaje negativa.

Normalmente, es preferible mantener constante la tensión que se suministra a una carga aunque la carga en sí se modifique. ¿Cómo y para qué se pueden corregir las variaciones de tensión en los bornes? La manera mas obvia sería variar la magnitud de Ea, para compensar los cambios en la carga. Recuérdese que Ea = K... Como en un sistema normal la frecuencia no debe cambiarse, Ea debe controlarse variando el flujo de la máquina.

PROCEDIMIENTO

Se llevo la maquina motriz a la velocidad nominal, luego se ajusto el reóstato Rmy del alternador hasta lograr la tensión nominal en bornes. Se tomo nota de la excitación If y la velocidad, para mantener estas constantes.

Se conecto una carga resistiva en Y para así tomar nota de la tensión y la corriente de inducido hasta su valor nominal, tomando las precauciones necesarias.

Datos: If = 0,75 A f = 60Hz VN = 220V Velocidad= 1800 rpm

E (V) 210 205 200 190 185 170 150 130Ia (A) 1,3 1,6 1,9 2,2 2,5 2,8 3,1 3,4W(w) 450 525 637,5 705 750 825 810 750

Tabla #1

Se procedió a desconectar la carga resistiva y sustituirla por una inductiva pura conectada apropiadamente, para tomar los siguientes valores bajo las mismas condiciones anteriores:

E (V) 215 200 180 170 155 145 135 130 125 115 110 105

Ia (A) 0 0,46 0,85 1,2 1,45 1,7 1,9 2,1 2,25 2,35 2.5 2,6

W(w) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Cosu 1 0,73 0,31 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Tabla #2

Seguidamente procedimos a sustituir la carga por una del tipo capacitiva pura conectada apropiadamente, obteniendo los siguientes valores:

E (V) 210 250 290Ia (A) 0 1,35 3 W (w) 0 0 0

cosu 1 0,1 0

Tabla #3

Ahora manteniendo constante la tensión, puede dejarse que varíe la velocidad y por ende la frecuencia. De esta manera se procedió a conectar una carga resistiva, de la cual se obtuvo los siguientes valores:

Ia (A) RPM V (V) Im (A) f (Hz) W (w)1,3 1800 220 0 60 01,5 1626 220 1 55 5251,4 1504 220 1,25 52 10502,6 1382 220 1,35 47 1300

Tabla #4

Se procedió a desconectar la carga resistiva y sustituirla por una inductiva pura conectada apropiadamente, para tomar los siguientes valores bajo las mismas condiciones anteriores

Ia (A) RPM V (V) Im (A) f (Hz) W (w)0 1800 220 0,75 60 0

0,5 1795 220 0,85 62 01 1794 220 0,95 61 0

1,5 1787 220 1,05 60 02 1782 220 1,2 60 0

2,5 1789 220 1,3 60 02,9 1776 220 1,3 60 0

Tabla #5

Para una carga capacitiva, se obtuvo los siguientes valores:

Ia (A) RPM V (V) Im (A) f (Hz) W (w)1,5 1796 220 0,55 60 0

2,25 1790 220 0,32 60 04 1765 220 0,1 60 0

Tabla #6

Tarea

1. Empleando los datos de la experiencias anteriores, donde se mantuvo la frecuencia constante; trace las características Vt (tensión en terminales) vs. Ia (corriente de carga) para los tres tipos de carga estudiados.

2. Describa las diferencias entre las tres curvas y explique el por que de dicho comportamiento.

La diferencia que se observa es que al ir aumentando la carga se hizo evidente la variación de la tensión más en uno que en otro elemento, esto debido a la naturaleza de los elementos, ya que como conocemos, los inductores generan un factor de potencia (fp) en adelanto, mientras que los capacitores poseen un factor de potencia en atraso ayudando a elevar la tensión, por eso es que son usados los bancos de capacitores para corregir los factores de potencia y corregir las perdidas.

3. Utilizando el valor de reactancia sincrónica obtenido en la práctica 3, trace un diagrama vectorial a escala del alternador, alimentado con corriente nominal y tensión nominal a una carga de factor de potencia cero y naturaleza inductiva.

4. Repita el paso Nº 3 para una carga de factor de potencia cero y naturaleza capacitiva.

5. Empleando los datos de la experiencias anteriores, donde se mantuvo la tensión constante; trace las características de f (frecuencia) vs. Ia (corriente de carga) para los tres tipos de carga estudiados.

E

E

i.Xs

I

i.Xs

I

6. Describa las diferencias entre las tres curvas y explique el por que de dicho comportamiento.

La diferencia es que las cargas capacitivas e inductivas ofrecen menor efecto de variación sobre la frecuencia que las cargas resistivas.

7. Explique que es un regulador de potencia-frecuencia en maquinas motrices. Que se conoce como característica Astática y Estática.

Como ya es sabido la maquina motriz debe vencer a la potencia eléctrica más las perdidas por efecto Joule y movimientos del generador, debido a esto en el momento en que se requiere entregar más potencia eléctrica debe existir un mecanismo el cual le imprima mayor torque a la maquina motriz para que esta desarrolle una potencia que pueda vencer a la potencia que se esta exigiendo.

Astática, es una grafica de los reguladores en la cual la pendiente es nula.

Estática, es una grafica que presenta una pendiente negativa.

COMENTARIOS

Es importante conocer el funcionamiento de una maquina sincrónica, y el efecto que esta presenta cuando se le conecta una carga, es decir, que no esté funcionando en paralelo con otro generador pero sí con los diferentes tipos de carga.

Al observar las gráficas obtenidas en la práctica se puede verificar que para cargas inductivas se presenta un efecto desmagnetizante, puesto al aumentar (Ia) se nota que la tensión en bornes de la máquina va disminuyendo notablemente. Para carga resistiva la tensión va disminuyendo proporcionalmente con la corriente. Para carga capacitiva se nota el caso contrario pues esta produce un efecto magnetizante el cual aumenta la tensión en bornes a medida que se aumenta la carga.

Cuando se realizó el estudio de la variación de frecuencia con regulación de tensión para carga inductiva y carga capacitiva no se pudo hacer muchas variaciones de la frecuencia porque esta no variaba, suponemos que las variaciones de los pasos de estas cargas eran muy pequeños, mientras que para carga resistiva si se pudo obtener muy bien las variaciones.