Informe Previo: El Generador de Campo Transversal (Amplidina)

Informe Final: El Generador Sncrono en Operacin

En el Laboratorio desarrollado tuvo como objetivo introducir al alumno, en forma prctica, a los principales problemas relativos a la operacin autnoma de un generador sncrono; y a algunos dispositivos de regulacin automtico. Caractersticas de pequeas centrales.

1.- Fundamento Terico :

La mquina sincrona que opera como un generador de ca impulsada por una turbina para convertir la energa mecnica en elctrica es la principal fuente de generacin en el mundo. La excitacin de esta clase de generadores se realiza por medio de corriente continua que recorre el circuito de las bobinas inductivas del motor.El sistema de excitacin comprende las mquinas y aparatos cuyo objeto es suministrar la energa necesaria para excitar el alternador. Se debe tener presente que el papel de un sistema de excitacin no consiste solo en suministrar permanentemente una potencia fija, sino que debe suministrar la potencia que convenga y modificarla tan rpidamente como sea posible segn ciertas condiciones.Es sabido que en la practica no es posible mantener constante la tensin de una generatriz y por tanto evitar las variaciones que cesan las perturbaciones o los cambios de carga. Por ello, se pueden evaluar las cualidades intrnsecas de un sistema de excitacin, segn la rapidez con la cual es capaz de restablecer el valor requerido de la tensin. La misin que debe realizar el sistema de excitacin puede descomponerse en dos partes: La primera consiste en mantener la intensidad de la corriente rotrica en el valor necesario durante la perturbacin o el cambio de carga; y la segunda precisa el restablecimiento tan rpido como sea posible el valor prescrito de la tensin en los bornes de la generatriz, desde que se produce la variacin del voltaje.Es decir, las dos misiones requeridas pueden ser expresadas de este modo: Mantenimiento de la tensin en el entrehierro, concepto este que se define como la tensin inducida correspondiente al flujo en ele entrehierro y mantenimiento de la tensin en los bornes del generador.

Regulador de Tensin .- Es el encargado de controlar la corriente de excitacin que recibe el devanado de campo del generador para que la tensin en bornes de la mquina sea constante. Cuando entra en sincronismo con el sistema, el regulador de tensin controla la potencia reactiva que entrega el generador sobre la base de una tensin constante prefijada. En marcha en vaco o bajo carga, el sistema amortiguador, mantiene en equilibrio al sistema de regulacin, y en esta posicin casi todos los elementos de resistencias estn insertadas, siendo en este momento la tensin de excitacin muy reducida.Tan pronto aumente la potencia reactiva del alternador, la tensin en los bornes disminuye ligeramente por lo tanto el equilibrio o la posicin que mantena el sistema de la amortiguacin desaparece, y el sistema de la regulacin cortocircuita un cierto nmero de elementos de resistencias y la tensin sube, esta accin continua, hasta que debido al aumento de la excitacin la tensin del alternador se eleva nuevamente al valor deseado.

Regulador Manual .- La regulacin de la tensin manual se efecta en todas los sistema, los mismo si existe regulacin automtica que sino la hay. La regulacin nicamente a mano es admisible si la carga es estable a las variaciones de esta son muy lentas.

Reguladores Automticos .- La regulacin de la tensin se puede efectuar a mano actuando sobre el reostato principal de la excitatriz en todos los casos que al carga no es estable o se requiera variaciones rpidas de la tensin hay que recurrir a la regulacin automtica.En este caso el reostato se substituye, con un juego de conmutadores, por un aparato equivalente conocido con el nombre de regulador de tensin. Puede actuar de varios modos:Como Regulador De Contactos Vibrantes, cortocircuitando peridicamente una resistencia en serie con el inductor de la excitatriz. El sistema, que ha tenido una cierta difusin sobre todos en Amrica, ha sido perdiendo importancia en el transcurso d los aos.Como Regulador Reosttico, intercalando una resistencia variable en el inductor de la excitatriz o directamente en el circuito de excitacin del alternador.Regulador de Tensin Tipo Ab4/1, Formado por un sistema motor, de regulacin y por un sistema de amortiguacin, como rgano de regulacin tiene a los sectores de contactos cortocicuitados a las resistencias de campo. En el esquema siguiente se muestra el esquema de principio de este tipo de regulador.En el tipo mas difundido es de construccin Brown Boveri y ha sido adoptado universalmente por las grandes ventajas que reporta. Se denominara regulador de accin rpida.

Potencias activa y reactiva de la mquina sncrona:

La potencia en bornes de una mquina sncrona, igual a la potencia generada si funciona, o a la potencia absorvida de la red en el funcionamiento como motor, viene expresada por la frmula general:

siendo m el nmero de fases del devanado inducido, U e I la tensin y corriente de fase y el desfasado entre estas magnitudes.En general una mquina sncrona trabaja conectada a una red de potencia sobre la que existen otros generadores sncronos funcionando en paralelo y cuya potencia global es muy superior a la de la mquina considerada. En estos casos es preferible expresar la potencia en funcin de otras magnitudes que pongan ms de manifiesto la influencia de la red sobre el funcionamiento de la mquina sncrona como convertidor electromecnico de potencia.En el limite, una red de muy elevada potencia ser una red de potencia infinita, la cual se caracteriza por ser constantes la tensin U, y la frecuencia f1, de la misma, cualesquiera que sean las cargas y las excitaciones individuales de las mquinas a ellas conectadas.En estas condiciones, las magnitudes ms interesantes para definir la potencia son: la tensin en bornes, la f.e.m. ficticia de vaco Eo, y el ngulo de carga , o ngulo de diferencia de fase entre los vectores representativos de estas magnitudes que supondremos perfectamente senoidales.

MAQUINA SINCRONA DE POLOS SALIENTES:

Partiremos de la expresin general de la potencia:

........... (1)

Al igual que se hace con la corriente I, puede descomponerse la tensin en bornes U, en dos componentes, una segn el eje directo dd y la otra segn el eje transversal qq. Aplicando dicha descomposicin a la expresin general de la potencia, se obtiene:

......... (2)

es decir, la potencia activa es la suma de las potencias activas de las componentes de la tensin y de la corriente, segn dd y segn qq, por el nmero de fases.Del diagrama vectorial de la figura, proyectando los vectores de la tensin U y de la f.e.m. Eo sobre los ejes dd y qq obtenemos las siguientes igualdades:

de las que se deduce:

,

d

q Iq Uq Eo q

Ud jXqIq Id I

d

valores que sustituidos en la ecuacin (2) y agrupando trminos nos dan para la potencia activa de la mquina sncrona de polos salientes la expresin final:

Esta potencia es superior a la de la mquina de idntico estator, pero con el rotor cilndrico, cuya potencia viene dada por el primer trmino si hacemos Xd = Xs.

CARACTERISTICA POTENCIA ANGULO DE PAR :

Tanto en la mquina de rotor cilndrico como en la de polos salientes, la potencia en bornes es una funcin, ms o menos simple, del ngulo de par . Asumiendo constantes la tensin en bornes y la excitacin y aceptando despreciable la resistencia de los devanados del estator, la representacin grfica de esta funcin es una senoide en el caso de la mquina de rotor cilndrico, en tanto que en la mquina de polos salientes es una curva suma de la senoide anterior y de otra senoide de frecuencia doble.

Caracterstica P = f (), en la mquina sncrona de polos salientes

Pe = Potencia debido al par electromagntico.

Pr = Potencia debida al par de reluctancia.

De estas dos componentes de la potencia, cuantitativamente, la primera es la ms importante, en tanto que la segunda introduce el efecto de los polos salientes y representa el hecho fsico de que la onda de flujo en el entrehierro produce un par que tiende a alinear los polos en la posicin de mnima reluctancia.Este sumando es la potencia correspondiente al par de reluctancia, el cual, como hemos puntualizado antes, es independiente de la excitacin del inductor. Incluso sin excitacin alguna en el inductor (Eo=0), esta componente de la potencia de la mquina sncrona de polos salientes no es nula.Si se toma en consideracin todo el campo posible de variacin del ngulo , la cura de P en funcin de , se hace peridica con valores positivos y negativos. Las partes positivas de P (0 ; 2 3 , etc.) corresponden al funcionamiento como generador, en tanto que las partes negativas (- 0 ; 2 , etc.) corresponden al funcionamiento como motor.Si por exceder el par resistente al par motor pierde la mquina su velocidad de sincronismo, el ngulo aumenta o disminuye continuamente y la mquina pasa alternativamente del funcionamiento como generador al funcionamiento como motor, lo que hace obligado desconectar la mquina de la red y proceder a una nueva maniobra de sincronizacin.

2.- Arranque y Apagado de funcionamiento del equipo de generacin :

Procedimiento para El Arranque del Generador Sncrono

Levantar la primera palanca del tablero de control Arrancar el motor AC Variar la resistencia de excitacin para obtener 110 V. Esto se logra variando el regulador del generador DC. Arrancar el generador DC. Variar la resistencia del timn que se encuentra en la mquina 1404, hasta obtener la mxima resistencia 1 (mnima corriente). Accionar el motor de corriente continua. Variar la resistencia del timn de la mquina 1404, hasta obtener la mnima resistencia 11 (mxima corriente). Regular la velocidad del motor DC para conseguir la frecuencia nominal (como veremos sta no se consigue). Entonces accionar el motor de excitacin. Accionar la excitatriz. Regular la corriente de excitacin (excitatriz) hasta conseguir 220 V en bornes del generador. Ahora s regular la velocidad del motor DC hasta conseguir la frecuencia nominal de 60 Hz.

Procedimiento para La Parada del Generador Sncrono:

Disminuir la tensin en bornes del generador, disminuyendo la corriente de excitacin (excitatriz). Desconectar la excitatriz. Desconectar el motor de la excitatriz. Aumentar la resistencia que se menciona en el paso (e) del arranque del generador. Disminuir la velocidad del motor DC hasta que sea cero y luego desconectarlo. Desconectar el generador DC. Desconectar el motor AC.

3.- Datos Obtenidos en el Laboratorio :

Tensin remanente al inicio de la experiencia es de 3.72 Volt.

Operacin como Carga Inductiva

I Arranque (A)I Estable (A)V Mnimo (V)V Estable (V)f Mnimo (Hz)f Estable (Hz)

0 46.06.31401885659.2

+ 20 31.06.91601985559.5

+ 40 21.96.41701975759.7

- 20 61.27.21101985458.9

- 40 73.57.01001905458.5

Operacin como Carga Resistiva

R Lnea ()I Arranque (A)I Estable (A)V Mnimo (V)V Estable (V)f Mnimo (Hz)f Estable (Hz)

534.934.8720919858.559.0

604.113.9021420657.858.0

4.- Cuestionario :

Pregunta N 1

Cmo lograra Ud. Que el regulador mantenga la tensin a 230 V? (Seale todas las soluciones posibles)

Solucin .-

Para la regulacin del mdulo de la tensin de un generador sncrono se consigue nicamente teniendo un control total sobre la corriente de excitacin . Las diferentes formas de conseguir la regulacin de la tensin en un generador sncrono se detallan a continuacin:

Existe un regulador de tensin en el generador DC, que no es otra cosa que una resistencia variable enseriada a la bobina de campo; lo que permite controlar la salida de voltaje en el generador, y por ende la corriente de excitacin . El regulador deber ser calibrado a 230 V; el tendr una alimentacin independiente de 220 V en tensin continua.

Otra forma de controlar la tensin a un valor constante, siempre bajo el mismo criterio de tener el control sobre la corriente de excitacin, se muestra en la figura .Aqu el regulador de tensin es una tarjeta electrnica que mediante una comparacin de valores controla la corriente IDC que circula por la bobina de excitacin.

La desventaja es que este control se da en un rango pequeo; ya que en las centrales elctricas ante grandes variaciones de carga se producen grandes variaciones en la tensin hasta valores que estn fuera del rango de operacin del regulador. En este caso el control se realiza en forma manual. Por ejemplo: Cuando empieza a generar un grupo, inicialmente el control es manual hasta alcanzar un valor cercano al valor nominal y luego acta el regulador de tensin automtico. Pregunta N 2

Sealar de que parmetros dependen:

El tiempo de estabilizacin de la respuesta. El mximo error esttico (o error estable).

Solucin .-

El tiempo de estabilizacin de la respuesta, en el caso del regulador de tensin usado en la experiencia depende bsicamente de:

La velocidad de respuesta del regulador, que por cierto es bastante lenta, ya que se trata de un regulador electromecnico. De los parmetros de resistencia e inductancia de campo y armadura del generador DC.

El mximo error esttico depende nicamente del cambio brusco de carga a la cual fue sometido el generador sncrono.

Pregunta N 3

Cmo lograra Ud. Reducir las oscilaciones en la tensin producidas a consecuencia de un cambio brusco de carga?

Solucin .-

Para reducir las oscilaciones de tensin se disean las caras polares con devanados amortiguadores. Estos devanados se ubican en las cabezas polares y se cortocircuitan mediante anillos.Al darse una oscilacin en la tensin se generan corrientes inducidas en los devanados amortiguadores que presentan las siguientes propiedades:

Al aumentar la tensin se inducen corrientes, cuyo campo ayuda al campo generado por el inductor, y de esta manera se consigue elevar el valor de la tensin.

El regulador debe poseer una constante de tiempo de manera que el tiempo de cada de tensin sea un poco mayor, sacrificando el tiempo de respuesta, es decir, se hace un poco ms lento el regulador.

Pregunta N 4

Cmo modificara Ud. la instalacin para mejor la regulacin automtica de frecuencia?

Solucin .-

Para ello tendremos que ver sobre quien acta el regulador de velocidad; segn el plano elctrico que corresponde al generador sncrono notamos que el regulador acta sobre el generador DC, que constituye la alimentacin para el motor primo DC, cuya velocidad define la frecuencia de la red.En este caso el regulador de frecuencia es una resistencia ajustable enseriada con la bobina de campo del generador DC, tal y como lo muestra la siguiente figura:

Al igual que el caso anterior se puede modificar la instalacin automtica de frecuencia optando por una tarjeta electrnica cuya medicin de velocidad la obtendr a partir de un tacmetro acoplado al eje del motor de continua o ya sea con el uso de otros sensores, y permitir compararla con una seal de referencia para posteriormente actuar sobre el generador de continua como lo muestra la figura siguiente:

Este sistema nos da una mayor confiabilidad en la regulacin y alta velocidad de respuesta.

Observaciones y Conclusiones:

Se puede mantener constante la velocidad de un generador de corriente contnua, gobernndolo con un motor de corriente alterna, pudindose obtener en este caso la principal fuente de potencia de una alimentacin de corriente alterna, que normalmente siempre est disponible. Esta ventaja, unida a la flexibilidad del control de velocidad, que vala solamente para mquinas de corriente continua, constituye la principal razn de lo prctico que resulta el sistema, y la generalizacin de su uso.

En una mquina sncrona, el devanado amortiguador es el que se encarga de restaurar o producir fuerzas restauradoras para compensar las perturbaciones de un sistema originadas por los cortocircuitos, por la prdida de la excitacin de un generador sncrono de una central elctrica, por la salida intempestiva de una lnea de transmisin, etc.

Las amplidinas se usan como unidad de regulacin de voltaje en los sistemas de excitacin para grandes generadores de corriente alterna, con el fin de introducir un voltaje de aumento o disminucin en serie con el devanado de campo del excitador principal. O bien el excitador principal puede ser una amplidina cuando las necesidades de excitacin estn dentro del rango en el cual las amplidinas compiten con otros tipos de sistemas de excitacin.

La finalidad principal de los sistemas de control de las mquinas elctricas es permitir qu funcione en forma deseada . Para el funcionamiento de los motores, el sistema de control se disea para controlar el par, la velocidad o la posicin, para los generadores, tambien se puede desear el control de voltaje, estos objetivos se ilustran a continuacin:

Los controladores de par, velocidad y posicin del motor y los controladores de voltaje y velocidad del generador ajustan las variables de entrada de la mquina para seguir las cantidades de referencia deseada. El controlador de velocidad del generador requiere solo de controladores de velocidad y de par. La velocidad del generador se controla con la mquina prima De acuerdo a los datos tomados en la experiencia se puede observar claramente el comportamiento que tienen la frecuencia y la tensin en bornes del generador ante la entrada intempestiva de una carga de gran magnitud.

Tanto la tensin como la frecuencia tuvieron un comportamiento subamortiguado, lo cual se reflej en la variacin de las agujas de los instrumentos de medicin utilizados en la experiencia.

El sistema utilizado para controlar la velocidad del motor DC es un Sistema Ward Leonard, el cual proporciona un medio de controlar grandes potencias mecnicas en un margen muy amplio de velocidad.

Bibliografa

Apuntes de claseIng. Tomas Palma G.Maquinas Elctricas Rotativas y EstticasMeisel Manual de laboratorio de Maquinas Elctricas IIIUNI - FIEE