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ELECTROTECNIA
GENERADOR SÍNCRONICO TRIFÁSICOCON ARRANQUE COMO ASÍNCRONO
mod. EE-PQ3
manual PROFESOR/ALUMNO
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EEPQ3$$101S0.DOC
127-220 V / 60 Hz
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INDICE
NORMAS DE SECURIDAD
Leer atentamente las advertencias contenidas en el presente manual, ya que
proporcionan informaciones importantes referentes a la seguridad durante la
instalación, el uso y el mantenimiento del equipo.
Conservar el presente manual para cualquier consulta adicional.
DESEMBALAJE
Tras haber quitado el embalaje, poner a un lado todos los accesorios de modo que no se
pierdan y cerciorarse de la integridad del equipo; en particular, que el mismo esté íntegro y
que no presente daños visibles.
Antes de conectar el equipo a la red de distribución eléctrica, cerciorarse de que los cables
estén conectados debidamente con la unidad de alimentación.
Los cables de alimentación deberán colocarse de manera tal como para que no puedan ser
pisados o aplastados por objetos.
El equipo presenta hendiduras y aperturas para la ventilación, al objeto de garantizar un
funcionamiento fiable del mismo y protegerlo contra el recalentamiento; las referidas
hendiduras y aperturas no deberán obturarse ni cubrirse. El equipo deberá situarse en una
posición que permita su aireación.
Cualquier operación de instalación del equipo deberá ajustarse a las instrucciones delfabricante y deberá realizarse utilizando los accesorios aconsejados.
Este equipo deberá destinarse sólo para el uso para el cual ha sido manifiestamente
concebido; es decir, como sistema didáctico, y deberá utilizarse bajo el directo control por
parte de personal experto. Cualquier otro uso deberá considerarse impropio y por lo tanto
peligroso.
El fabricante no podrá considerarse responsable de eventuales daños debidos a un uso
impropio, erróneo o irrazonable del sistema.
PRECAUCIONES
AI objeto de amparar la seguridad y la incolumidad del operador, así como el funcionamiento
del equipo, el uso de aparatos eléctricos contempla el cumplimiento de algunas reglas
fundamentales; en particular, deberán respetarse las normas de uso siguientes:
Temperatura ambiente entre 0°C y 45°C
Humedad relativa entre 20% y 80%
así como deberá evitarse cualquier cambio rápido de temperatura y humedad.
En caso de avena y/o mal funcionamiento, apagar inmediatamente el equipo y no efectuar
descomposturas. Para llevar a cabo una eventual reparación, dirigirse al centro de asistenciatécnica o pedir exclusivamente piezas de re puesto originales.
El incumplimiento de lo anterior podrá petjudicar la seguridad del equipo.
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Si penetraran objetos o líquidos en el interior del equipo, desconectar el cable de alimentación
y pedir el control por parte de personal cualificado antes de utilizarlo nuevamente.
LIMPIEZA DEL SISTEMAUtilizar un paño suave y seco para la limpieza del armazón y del panel sinóptico. Jamás
utilizar insecticidas, productos químicos o disolventes.
VIBRACIONES E IMPACTOS
Prestar atención a no causar vibraciones o impactos.
1. Esta máquina deberá destinarse sólo para el uso para el cual ha sido manifiestamente
concebida; es decir, como máquina didáctica, y deberá utilizarse bajo el directo control
por parte de personal experto. Cualquier otro uso deberá considerarse impropio y por
consiguiente peligroso. EL fabricante no podrá considerarse responsable de eventuales
daños debidos a un uso impropio, erróneo o irrazonable de la máquina.
2. Todas las conexiones requeridas para alimentar la máquina o las máquinas eléctricas
deberán efectuarse con la máquina apagada y con las partes rotatorias inmóviles,
utilizando exclusivamente cables al efecto con clavija de 4 mm y protegidos contra los
contactos accidentales o de seguridad.
3. La máquina deberá accionarse sólo con las protecciones insertadas, al objeto de
salvaguardar las juntas de acoplo. Para satisfacer las exigencias de acoplo con otras
máquinas de la misma serie, algunas protecciones son de tipo móvil, las cuales deberán
insertarse para la salvaguardia del extremo que queda asequible.4. Si por exigencias especificas de uso de la máquina las juntas de acoplo quedaran
asequibles, como forma de protección deberá adoptarse el distanciamiento; la máquina o
el grupo de máquinas deberá situarse de forma tal como para que no sea alcanzado por el
operador durante su funcionamiento.
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1. GENERADOR SINCRONICO TRIFASICO CON INDUCTOR ROTANTE
MAQUINA Mod. EE-PQ3
Se llaman sincrónicas las maquinas en donde la frecuencia y la
velocidad están ligadas estrechamente entre sí.
Estas comprenden los alternadores o generadores sincrónicos de
corriente alterna y los motores sincrónicos que, por su construcción, son
idénticos a los primeros. Un alternador puede funcionar como motor
sincrónico y un motor sincrónico como generador.
Para obtener las mejores condiciones de funcionamiento es bueno que la
máquina sea calculada y construida teniendo presente su función
particular.
Hablando de la dinamo, hemos visto que las fuerzas electromotrices
generadas en los conductores son alternas. Por lo tanto, conectandooportunamente estos conductores y aplicando en lugar del colector dos
o mas anillos aislados, sobre los cuales se apoyan carbones, nosotros
podemos recabar con el mismo sistema inductor de una dínamo,
corrientes alternas. Este tipo de alternador, llamado de inductor fijo o de
inducido rodante, hoy día se usa solamente para potencias pequeñas.
La construcción usada en los alternadores modernos es la inversa a ésta
porque la armadura (inducido) siempre es fija y el sistema inductor es
rodante (rueda polar). La ventaja de esta construcción esta en el hecho
de que la armadura fija permite aislar los bobinados con menor
dificultad, inclusive para altas tensiones de ejercicio, y que la corrientede armadura es tomada de los bornes fijos y no a través de anillos de
deslizamiento como en el caso de maquinas con inducido rodante. El
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bobinado de campo, siendo rodante, deberá ser alimentado a través de
dos anillos, pero esto no crea ninguna dificultad porque normalmente la
tensión de excitación es muy baja y la potencia requerida para la
excitación es pequeña. Examinando la fig.1.l es fácil ver que cuando un
conductor se encuentra en la mitad entre dos polos (o sea enel plano
neutro), éste es sede de una fuerza electromotriz cero; en cambiocuando se encuentra antes del centro de los polos (como en A, B), la
fuerza electromotriz inducida en éste es máxima y su dirección depende
de la polaridad del polo que pasa delante del conductor en ese instante.
La fuerza electromotriz inducida en un conductor pasa a través de un
período completo en una distancia angular igual al doble del paso polar
(distancia polar entre los centros de dos polos consecutivos).
Resulta que la cantidad de períodos para cada giro será igual a p si con
2 p indicamos la cantidad de los polos; o sea, la cantidad de períodos
por segundo (frecuencia), siendo "n" la cantidad de RPM, será dada por
la fórmula conocida
60
npf ⋅=
Una vez fijadas la frecuencia y la velocidad, también queda fijada la
cantidad de los polos del alternador. Mientras que en la dínamo la
cantidad de polos puede ser escogida a voluntad; en el caso del
alternador esta libertad de selección, una vez establecida la frecuencia,
está limitada por la velocidad; por ejemplo, para un generador
sincrónico a 50 Hz, con dos polos, la velocidad deberá ser 3000 RPM ycon cuatro polos deberá ser 1500 RPM.
El rotor de las máquinas sincrónicas puede ser del tipo con polos
salientes o bien del tipo liso; el primer tipo es empleado para las
máquinas lentas y el segundo para las máquinas veloces.
El inductor con polos salientes, tiene los polos fijados radialmente en la
superficie exterior de una robusta corona de acero o de fundición
solidaria con el eje de la máquina. En cambio en el inductor liso los
polos no salen de la superficie externa cilíndrica del rotor y las bobinas
de excitación están ubicadas con los lados mayores dispuestos dentro de
hoyos situados simétricamente a los lados de la superficie polar según
generatrices del cilindro.
Se adoptarán soluciones constructivas particulares en los sistemas
inducidos de máquinas sincrónicas previstas para funcionamiento como
motores (como en el caso de la máquina mod. EE-PQ3).
De esto se hablará en los próximos párrafos
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fig. 1.1 Después de estas introducciones se pasará al examen a vista dela máquina mod. EE-PQ3.
Quitando el carter de protección del lado generador, se puede examinar
la construcción mecánica y eléctrica interna de la máquina.
Mirando el rotor de la máquina se pueden observar las siguientes partes:
• rueda polar tipo liso
• bobinado de excitación (inductor)• colector de anillos
• cantidad de anillos del colector
Mirando en el interior del estator:
• bobinado de armadura (inducido)
• carbones y sistema porta-carbones
De un examen más profundo resulta que:
• el bobinado de armadura está constituido por tres series diferentes
de madejas aisladas entre sí, realizadas con conductor de sección
determinante, instalados, en el interior de hoyos, y cabecillas de los
bornes U1-U2, V1-V2, W1-W2 respectivamente.
• el circuito de excitación (inductor) está constituido por tres
bobinados conexos internamente por un lado y conectados a los tres
anillos del colector por el otro. La sección del conductor empleado
es inferior a aquélla de armadura; en cambio lá cantidad de espiras
es superior. Como se verá más adelante, esta disposición también
permite utilizar la máquina como motor sincrónico auto-arrancador.
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HAGANLO POR SI SOLOS
a) Utilizando un ohmetro o los instrumentos en dotación, identificar
los bornes correspondientes al inicio y fin de cada fase del
bobinado de armadura, controlando que entre una fase y otra nohaya continuidad eléctrica.
b) Con el mismo instrumento, identificar los bornes relativos al
circuito de excitación, controlando también que entre éste y la
armadura no haya continuidad eléctrica.
c) Observar si el sistema porta-carbones es igual a aquél de los
generadores de c.c. y, eventualmente, indicar las diferencias.
d) Observando el colector se notan los tres anillos, cabecillas del
bobinado inductor y sus relativos carbones de conexión; en cambio
observando la bornera del generador, los bornes solamente son dos:
tratar de dar una explicación de esta diferencia.
1.1 Medición de la resistencia de los bobinados de la máquina
Esta prueba que permite familiarizarse con los bobinados de la máquina,
consiste en medir la resistencia eléctrica de cada bobinado, usando el
método voltamperimétrico; sucesivamente con los datos obtenidos
también se podrán calcular las pérdidas en el cobre de cada bobinado.
El esquema de la prueba està indicado en la fig. 1.2 y se relaciona con
una fase del bobinado inducido. La alimentación en corriente continua
puede ser tomada de la línea variable de 0 a 250 V.c.c. a través de un
amperímetro y un voltímetro, así como también de un reóstato de
regulación.
Para la medición, activar la línea variable c.c. y actuar lentamente en el
variador de tensión, y si es necesario, en el reóstato hasta obtener el
valor de corriente I deseado que no debe superar el rango nominal de la
línea y debe ser mucho más pequeño que la corriente nominal del
bobinado en prueba; leer en el voltímetro la tensión V y, mediante larelación
I
VR =
recabar la resistencia de una fase del bobinado inducido.
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fig. 1.2 Esquema para la medición de la resistencia del bobinado inducido1: voltímetro antes del amperímetro2: voltímetro después del amperímetro
Calcular las pérdidas en el cobre del mismo mediante la fórmula
2TRP ⋅=
Ahora, repetir el procedimiento para las otras dos fases de armadura de
la máquina (bornes V1-V2 y W1-W2).
En todo caso, es necesario poner atención en no superar el rango
nominal del bobinado porque bastará una tensión modesta para alcanzar
un valor de corriente elevado por lo que, antes de activar la línea
variable de c.c., habrá que poner al máximo el valor de resistencia del
reóstato R (véase la fig. 1.2) y aumentar gradualmente la tensión de
alimentación y, sucesivamente, afinar con el reóstato hasta obtener el
valor de corriente deseado.
Queriendo llevar a 75° los valores de resistencia obtenidos de las
mediciones tendremos:
tao1
75o1R75R
⋅α+⋅α+
⋅=°
donde ta es la temperatura ambiente con la cual se ha efectuado la
prueba, medida con un termómetro normal.
En efecto, dada la rapidez de la prueba y la exigüidad de la corriente en juego con respecto a la nominal, se supone que la temperatura de los
bobinados no se aleje en forma apreciable de la temperatura ambiente.
αo es el coeficiente de temperatura del material en examen
(normalmente cobre: αo = 0,00426·1/°C )
o bien
R75° = R · [1+αt(75-ta)]
donde
to
1
1t
⋅α
=α
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por lo tanto para el cobre
t5,234
1t
+=α
Instrumentos y equipos usados en la prueba
Véase el esquema eléctrico de la fig. 1.2.
• Alimentación: línea variable de 0 a 250 Vc.c.
• R: reóstato de regulación: 3 x 50 Ohm / 500 W (en este caso serà
utilizado un solo sector de 50 Ohm).
• A: amperímetro 2-4 A
• V: voltímetro 250-500 V• Máquina mod. EE-PQ3
HAGANLO POR SI SOLOS
a) ¿Cuál debería ser el valor de corriente que circula en el circuito de
excitación con tensión de alimentación igual a 220 Vc.c.?
b) ¿Las tres resistencias medidas en los extremos de cada fase del
bobinado de armadura son iguales ?
c) Si se debiera alimentar cada una de las fases con la tensión de
220 Vc.a. ¿cuál debería ser la corriente resultante?
d) Conectar entre si los bornes U2-V2-W2 (conexión en estrella) y
repetir la medición de la resistencia entre los bornes U1-V1; V1-
W1; W1-U1.
e) Conectar entre sí los bornes U1-W2; V1-U2; W1-V2 (conexión
triángulo) y repetir la medición de resistencia entre los bornes
U1-V1; V1-W1; W1-U1.
f) ¿Cuál de las dos conexiones indicadas en los puntos d) y e)
determina una resistencia menor?
1.2 Característica de magnetización del alternador (prueba al vacío)
Los alternadores siempre han sido las fuentes más importantes de
energía eléctrica.
Como ya indicamos anteriormente los alternadores generan una tensión
alterna cuya frecuencia depende exclusivamente de la velocidad de
rotación. El valor de tensión generada depende de la velocidad, de la
intensidad de campo magnético (excitación) y del factor de potencia de
la carga.
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Cuando la excitación de un alternador es aumentada (con velocidad
constante de la máquina), el flujo magnético y la tensión de salida
aumentan en forma directamente proporcional a la corriente.
Sin embargo, con progresivo aumento de la corriente de excitación el
flujo a veces puede alcanzar valores elevados que saturan el hierro en el
alternador.Como la tensión está ligada directamente con la intensidad del campo
magnético, ésta puede ser usada como una medida del grado de
saturación.
Las tres fases del alternador están mecánicamente distanciadas entre sí
con iguales intervalos, per consecuencia las respectivas tensiones
generadas no están en fase, sino que éstan distanciadas entre sí 120°
eléctricos.
Ahora pasemos. a la realización de la experiencia relativa a la máquina
mod. EE-PQ3.
La finalidad de la prueba es, como para la dínamo, la determinación de
la característica de magnetización o sea, la determinación de la
variación de tensión inducida en los bornes con el variar de la corriente
de excitación (fig. 1.3).
fig. 1.3 Característica de magnetización del generador sincrónico trifásico
La prueba se hace con velocidad y con frecuencia nominal. El circuito
de medición consta de un amperímetro de bobina móvil puesto en serie
en el circuito de campo y de uno a tres voltímetros, así como también de
un frecuencímetro, derivados en los bornes inducidos de la máquina. El
circuito de medición torna así el aspecto de la fig.1.4.
Dada la necesidad de tener velocidad nominal constante se empleará el
motor de corriente continua mod. EE-PQ1. Para el primer motor no
serán necesarios instrumentos particulares: bastarán pocos conductorespara conectar los bornes de llegada de la tensión con aqué1los del motor
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de corriente continua. Este será arrancado mediante acción en el
interruptor de marcha de la línea fija c.c. El operador, antes del
arranque, deberá poner los reóstatos de arranque y de excitación en la
posición ideal para permitir la partida con la mínima corriente de
arranque (véase párrafo 1.9).
fig. 1.4 Esquema para la determinación de la característica de magnetizacióndel alternador
Las diferentes fases de la prueba serán las siguientes: arranque del
motor y del alternador en prueba con la velocidad mínima; regulaciónde la velocidad en el valor nominal (normalmente 3000 RPM ó 3600)
mediante una acción en el reóstato de campo del motor y control con el
tacómetro; con el voltímetro, determinación del primer punto de la
característica en subida (para corriente de excitación igual a cero:
tensión igual a la tensión debida al magnetismo residual); mediante el
interruptor, cierre del circuito de campo en la alimentación procedente
del variac y del puente de rectificadores de la línea variable c.c. con
variac en cero y reóstato de campo completamente introducido;
regulación en constante aumento de la corriente de campo mediante una
acción en el variac y en el reóstato y determinación de cada aumento de
tensión correspondiente a los aumentos de corriente de excitación. La
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prueba va conducida hasta un valor de tensión superior del 10 - 20% a
la tensión nominal.
En el diagrama se indicarán los valores de la tensión estrellada; para la
máquina con conexión a triángulo, ésta corresponde a la tensión
concadenada medida; para la máquina con conexión en estrella, la
tensión concadenada medida (eventualmente el promedio de las trestensiones medidas) va dividida por la raíz de tres (√3).
Análogamente a la determinación de la característica de magnetización
en subida, también será posible determinar aquélla en bajada: bastará
disminuir, del punto máximo de la prueba, la corriente de excitación
constantemente deteniéndose para determinar poco a poco las
correspondientes disminuciones de tensiones inducidas.
Así, se obtendrá una curva característica que, como para la dínamo, será
mayor que la anterior. Cual característica de la máquina, se tomará
aquella intermedia entre las dos trazadas así o sea, la curva trazada con
guiones de la fig.1.3. Hay que notar que la doble regulación mediante
variac y reóstato permitirá obtener una sensibilidad notable en la
regulación de la corriente de excitación.
No son necesarias correcciones de la velocidad regulada inicialmente en
el valor nominal, dada la pequeña potencia en juego.
En todo caso, si por cualquier motivo la prueba no se podrá realizar con
frecuencia nominal o si se desea llevar los valores encontrados a otra
velocidad, será lécito hacerlo con una simple relación de
proporcionalidad entre tensión y velocidad o frecuencia. Por lo tanto si
nosotros, para una determinada medición , hemos determinado latensión Eo, a la velocidad n y a la frecuencia f correspondiente,
analíticamente podremos recabar la Eo' a la velocidad n' y a la
frecuencia f correspondiente, mediante la fórmula:
f
'f Eo
n
'nEoo'E ==
Se puede realizar simultáneamente la determinación de las pérdidas
mecánicas y en el hierro de la máquina en prueba.
Para este fin, es suficiente introducir en el circuito de alimentación del
motor de c.c. un voltímetro y un amperímetro oportunamente escogidos
para la medición de la potencia absorbida por el mismo.
Una medición preliminar con el alternador desconectado, da como
resultado, la entrada total de las pérdidas del motor de c.c. funcionante
al vacío con velocidad y tensión nominal.
La introducción del alternador arrastrado con velocidad nominal y sin
excitación, ocasionará un incremento de pérdidas correspondiente a las
pérdidas mecánicas del alternador, determinables así por diferencia
entre las dos mediciones efectuadas.
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Excitando ahora el alternador y obteniendo los valores de tensión, poco
a poco crecientes, para la determinación de la característica de
magnetización, se obtienen correspondientemente incrementos de
potencia debidos a las pérdidas en el hierro del alternador, siempre
determinables por la diferencia entre las primeras dos mediciones
efectuadas.Obviamente existe la hipótesis que, para la carga mínima aplicada, no
hayan variaciones sensibles de pérdidas en el motor de c.c., y que todos
los incrementos de potencia medidos en la red de alimentación del
mismo, correspondan a las pérdidas del alternador.
Instrumentos y equipos usados en la prueba
Véase el esquema eléctrico de la fig. 1.4.
• Alimentación: motor c.c.: línea fija 220 Vc.c.
excitación alternador: línea variable 0 a 250 Vc.c.
• A: amperímetro de hierro móvil 3-6 A
• V: voltímetro de hierro, móvil 250-500 V
• F: frecuencímetro a laminillas 50-60 Hz 250-500 V
• RA: reóstato de arranque motor: 3 x 35 Ohm / 500 W
• RCM: reóstato de campo motor: 200 Ohm - 500 W
• RCA: reóstato de campo alternador: 5000 Ohm / 500 W
• Máquina mod. EE-PQ1
• Máquina mod. EE-PQ3
• Contador de revoluciones electrónico digital
HAGANLO POR SI SOLOS
a) Trazar la curva de magnetización promedia en un diagrama
b) ¿Hasta qué valor de tensión la curva es casi recta?
c) ¿A cuáles valores de tensión se comienza a observar la
denominada “rodilla” de la curva de saturación?d) ¿Por qué la tensión aumenta con menor rapidez mientras que la
corriente de excitación aumenta?
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1.3 Prueba de cortocircuito y determinación de la impedancia sincrónica del alternador
La prueba tiene la finalidad de determinar la característica de
cortocircuito del alternador en prueba o sea, la variación de corriente en
los bobinados inducidos cerrados en cortocircuito,en dependencia de la
variación de la corriente de excitación.Esta determinación dará lugar a una recta que podrá ser llevada a un
diagrama junto con la característica de magnetización anteriormente
trazada. La relación entre varias ordenadas correspondientes permitirá
la construcción de la curva de impedancia sincrónica siempre en
función de la corriente de excitación:
Icc
EoZs =
Evidentemente la corriente de cortocircuito indicada en dicho diagrama(fig. 1.5) será aquélla de fase, y para las máquinas conectadas en estrella
aquella correspondiente a la corriente de línea medida; para las
máquinas conectadas en triángulo, aquella medida en línea dividida por
la raíz de tres. La prueba podrá desarrollarse inmediatamente después
de la prueba al vacío sin interrumpir el grupo, bastará abrir el circuito de
excitación y cerrar el circuito de armadura del generador sincrónico en
los tres amperímetros conectados entre sí, como se observa en la fig.1.6.
fig. 1.5 Prueba de cortocircuito y determinación de la impedancia sincrónicadel alternador
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fig. 1.6 Esquema para la determinación de la característica de cortocircuitodel alternador
En estas condiciones, para corriente de excitación = 0, si los
amperímetros han sido escogidos con rangos correspondientes a la
corriente nominal de la máquina, no se podrá determinar sobre éstos un
pasaje de corriente apreciable. En efecto, disponiendo de amperímetros
más sensibles en el circuito, podremos determinar un pasaje de corriente
más bien pequeña. Esta determinación normalmente no es efectuada por
ser muy superficial.
En todo caso, esta pequeña corriente justifica el hecho de que la
característica rectilínea de cortocircuito no sale de su origen y que,consecuentemente, el valor de impedancia sincrónica correspondiente a
la corriente de excitación = 0, no toma un valor con tendencia al
infinito.
La determinación verdadera y propia se obtendrá cerrando el interruptor
de alimentación del circuito de campo, regulando con el variac y el
reóstato la corriente de excitación y determinando para algunos valores
de ésta, los valores correspondientes de corriente de cortocircuito que
circula en el inducido. Serán suficientes pocas determinaciones para
luego poder obtener, en el diagrama, la construcción de la recta. En todo
caso será útil alcanzar, con la corriente de cortocircuito, el valor de la
corriente nominal o también va1ores superiores de 20-30%.
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13
No habiendo variado la velocidad del grupo con respecto a la prueba
anterior, obviamente nos encontraremos todavía en la velocidad
nominal, dado que también en este caso la potencia en juego es irrisoria
con respecto a la potencia del primer motor.
Este particular es de poca importancia dado que la corriente decortocircuito es independiente de la frecuencia y de la velocidad.
Como para la prueba al vacío, aquí se pueden determinar las pérdidas en
el cobre mediante la medición de potencia absorbida por el motor de
c.c., por diferencia con las pérdidas al vacío del mismo y las pérdidas
mecánicas del alternador ya determinadas en la prueba anterior.
Excitando el alternador para obtener los valores poco a poco crecientes
de corriente inducida para la determinación de la característica de
cortocircuito, correspondientemente se obtienen incrementos de
potencia, debidos a las pérdidas en el cobre del alternador, que siempre
se determinan por la diferencia con las primeras dos mediciones
efectuadas.
Obviamente existe la hipótesis que, dada la carga mínima aplicada, no
hayan sensibles variaciones de pérdidas en el motor de c.c., y que todos
los incrementos de potencia medidos en la red de alimentación del
mismo, correspondan a las pérdidas del alternador.
1.4 Prueba con carga del alternador en régimen óhmico, inductivo y capacitivo
La tensión generada por un alternador depende principalmente del flujo
total en el entre-hierro. Al vacío, este flujo es determinado
exclusivamente por la excitación de campo c.c.
Con carga, el flujo en el entre-hierro es determinado por las
ampervueltas de rotor y por las anpervueltas de estator. Estas pueden
añadirse u oponerse a la fuerza magnetomotriz del rotor según sea el
factor de potencia de la carga. Factores de potencia en anticipo asesoran
el motor mientras que aquéllos en retardo lo oponen.
Como la fuerza magnetomotriz tiene un gran efecto sobre el flujomagnético, la regulación de tensión de los alternadores es más bien
pobre y la corriente continua de campo debe ser regulada continuamente
para poder mantener constante la tensión en las condiciones de carga
variable.
Si una fase de un alternador trifásico es cargada fuertemente, su tensión
disminuirá por causa de las caídas Ra · Ia e Ia · XL en el bobinado de
estator. Esta caída de tensión no puede compensarse modificando la
corriente de campo, porque también la tensión de las otras dos fases
aumentaría. Por lo tanto es esencial que los alternadores trifásicossolamente tengan cargas equilibradas.
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14
Las características que normalmente se pueden determinar en el
alternador son:
1. las características externas, o sea, la determinación de la variación
de tensión con el variar de la corriente de carga, con factor de
potencia de la carga constante y corriente de excitación de lamáquina constante.
2. las características de excitación bajo carga, o sea, la determinación
de la variación de tensión con el variar de la corriente de excitación
de la máquina conectada a una carga constante en módulo
(corriente) y en fase (cos ϕ).
3. las características de regulación, o sea, la determinación de la
variación de corriente de excitación necesaria para mantener, en los
extremos de la máquina, una tensión constante con el variar de la
corriente erogada sobre una carga con factor de potencia constante.
Para la determinación de estas características es necesaria una carga
trifásica variable en módulo y en fase que la empresa suministra bajo
pedido. En estas condiciones, con maniobras oportunas y un poco de
pericia se podrá realizar cualquier carga variable en modulo y en fase.
Para el circuito de medición podemos hacer referencia a la fig. 1.7.
Los vatímetros tienen la finalidad de determinar el factor de potencia de
la carga mediante relación de sus indicaciones:
fig. 1.7 Esquema para la determinación de la característica de funcionamiento del alternador con carga
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15
13P
23PX =
y la conocida relación:
2XX12
X1cos
+−+=ϕ
Por ejemplo para obtener un factor de potencia inferior a 0,2 la relación
X deberá ser negativa y por lo menos inferior a -0,5, lo que significa
que la indicación del vatímetro P23 deberá ser negativa y por lo menos
superior a la mitad de la indicación del vatímetro Pl3
Partiendo de las condiciones de tensión al vacío del alternador igual a la
nominal y con frecuencia nominal, las diferentes pruebas podrán ser
desarrolladas en la forma siguiente:
1. Características externas:
la carga se regulará actuando sobre las 3 secciones para así
aumentar la corriente erogada por el generador sincrónico,
manteniendo constante el factor de potencia de la carga. Será
suficiente controlar, poco a poco que aumenta la corriente, que la
relación de las indicaciones de los dos vatímetros quede constante
en el valor prefijado relativo al cosfí deseado; también puede servir
el cosfimetro montado en la carga.
Naturalmente se deberá determinar en el voltímetro las variacionescorrespondientes de tensión. Durante toda la prueba no se deberá
variar la corriente de excitación del alternador pero se deberá seguir
la frecuencia constantemente y llevarla a los valores normales a
través de una simple acción en el reóstato de campo del motor de
c.c. Se podrán determinar numerosas características relativas a los
diferentes factores de potencia y los resultados indicados en un
diagrama tomarán el desarrollo de la fig. 1.8, en donde se han
representado las características para cosfí menor de uno en retardo y
en anticipo, así como también la característica con cosfí uno.
2. Características de excitación bajo carga:se variará el circuito de carga, en la forma arriba indicada, hasta
obtener la corriente y el cosfí preseleccionados para la
determinación con la máxima corriente de excitación que
normalmente está a la disposición en el alternador; también
tendremos la máxima tensión disponible para las condiciones de
carga preseleccionadas. De este modo se determinarán el valor de la
tensión y el de la corriente de excitación indicándolos en un
diagrama. Se procederá para aumentar la carga actuando en las
cargas activa y reactiva. Obviamente, este aumento de carga
ocasiona un aumento de corriente inducida del generador que será
llevada lo antes posible al valor preseleccionado bajando la
corriente de excitación del generador en prueba y la tensión. La
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operación se repetirá varias veces, determinando cada vez, la
corriente de excitación y la tensión en los bornes hasta determinar
toda la característica.
La fig. 1.9 muestra las características completas relativas al valor de
corriente nominal y a los cosfí iguales a cero, en anticipo y en
retardo, así como también con cosfí iguales a uno. Naturalmente, lavelocidad de la máquina deberá ser mantenida bajo control.
fig. 1.8 Características externas de un alternador con corriente de excitaciónconstante
fig. 1.9 Características de excitación bajo carga por corriente constante iguala la nominal
3. Características de regulación:
será suficiente aumentar la carga tratando de mantener constante el
factor de potencia y aumentando sucesivamente la corriente de
excitación para volver a llevar la tensión al valor original (también
será necesario controlar la velocidad).
La determinación de las diferentes corrientes de excitación
obtenidas así, en función de la corriente erogada, dará origen a la
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característica de regulación para tensión y factor de potencia
constantes (fig. 1.10).
Todas las determinaciones descritas en este párrafo pueden
realizarse, una después de otra, sin detener jamás las máquinas.
fig. 1.10 Característica de regulación del alternador
Instrumentos y equipos usados en la prueba
Véase el esquema eléctrico de la fig. 1.7.
• Alimentaciones: motor c.c.: línea fija 220 Vc.c.
campo alternador: línea variable 0 a 250 Vc.c.
• A: amperímetro de hierro móvil 3-6 A
• V: voltímetro de hierro móvil 250-500 V
• F: frecuencímetro a laminillas 50-60 Hz / 250-500 V
• W: vatímetro electrodinámico 2,5-5 A / 250-500 V
• RCM: reóstato de campo motor c.c.: 200 Ohm – 500 W)
• RA: reóstato de campo arranque motor c.c.: 3x35 Ohm – 500 W
• RCA: reóstato de campo alternador: 5000 Ohm - 500 W
• Carga variable RLC mod. EE-RV, EE-IV, EE-CV
• IC: interruptor de separación carga
• Máquina mod. EE-PQ1
• Máquina mod. EE-PQ3
• Contador de revoluciones electrónico digital
HAGANLO POR SI SOLOS
a) ¿Con cargas capacitivas, la tensión erogada por el alternador
aumenta o disminuye? ¿ Por qué ?
b) Utilizando los conmutadores apropiados predispuestos. en la carga,
desequilibrar la carga y observar el desarrollo de las tres corrientesy de las tres tensiones del alternador. Explicar lo que sucede.
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1.5 Determinación del rendimiento con el método directo o indirecto
Las pruebas con el método directo normalmente son realizables
solamente si el grupo está equipado con un dinamómetro de
transmisión. En este caso será posible la determinación mediante la
medición directa del rendimiento del generador sincrónico trifásico.
Mediante la medición del par C en el eje, expresado en kgm, y de la
velocidad "n", expresada en RPM, se llegará a la potencia mecánica
absorbida por el generador, expresada en vatios, mediante la relación:
60
n2C81,9Pabs
⋅π⋅=
Con el circuito utilizado varias veces en las pruebas anteriores (véase
fig. 1.7 ) y con las mismas modalidades previstas en la determinacióndirecta de las características bajo carga, será posible determinar los
valores de potencia rendida por el alternador haciendo variar la carga
según se desee, esto con valor de cosfí constante.
Para esta finalidad servirán dos vatímetros conectados en Aron en el
circuito de medición. La relación entre las potencias rendidas
determinadas así y las potencias correspondientes absorbidas darán, por
un determinado factor de potencia de la máquina, la curva de
rendimiento que podrá ser indicada en función de la corriente erogada.
Normalmente los métodos indirectos se basan en la determinación decada una de las pérdidas de la máquina y definen así el rendimiento
convencional de la máquina mediante la relación:
PpPr
Prrend
+=
donde Pr es la potencia rendida y Pp la suma de las pérdidas.
Las pérdidas en el hierro y las mecánicas son determinadas mediante el
dinamómetro de transmisión (con tal que sea suficientemente sensible)
poniendo la máquina en rotación, con velocidad nominal, a través delmotor de c.c. y regulando la excitación hasta obtener en los bornes la
tensión nominal, y leyendo simultáneamente en el dinamómetro el par
transmitido. Esta prueba también podría ser realizada en el transcurso
de la prueba al vacío descrita en el párrafo 1.2.
Las otras pérdidas, por excitación, en los carbones, en los bobinados
inducidos y adicionales son recabadas analiticamente.
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1.6 Paralelo de dos alternadores
Para el funcionamiento simultáneo de dos o más alternadores, en el
mismo circuito, no pueden tener valor las mismas condiciones que ya
conocemos para las máquinas de corriente continua.
Ya que las potencias de los alternadores acoplados pueden sumarse, es
evidente que las formas de onda de las tensiones que actúan en el
circuito común se deben sobreponer perfectamente, o sea, tener la
misma frecuencia y estar en sincronismo. A no ser así las máquinas
estarían en oposición durante ciertas fracciones del periodo.
Ahora, supongamos tener un alternador que funciona en un determinado
circuito y tener que conectarle a éste un segundo alternador, que luego
deberá tomar una parte de la carga del primero, para el acoplamiento en
paralelo se deberán satisfacer las siguientes condiciones:
los dos alternadores serán puestos en rotación por sus respectivos
primeros motores y debidamente excitados para poder generar la misma
tensión con la misma frecuencia. Estas magnitudes serán controladas a
través de instrumentos colocados en los respectivos circuitos.
También podrán ser conectados sobre el último aparato de maniobra
que servir para la puesta en paralelo (por ej., el interruptor previsto en el
grupo de sincronización, módulo AZ 68).
Obtenido el control de la tensión y de la frecuencia, no nos queda que
controlar la identidad del sentido cíclico de los dos circuitos que
estamos por cerrar en paralelo y el momento en que entre losconductores asomados del interruptor la tensión se reduce a cero.
Para este fin normalmente se usan medios industriales cuales lámparas
de sincronismo o sincronoscopios.
Para esta finalidad, el banco está dotado de un módulo de
sincronización completo con lámparas que son cabecillas de bornes
libres de modo que puedan ser conectadas en el circuito a voluntad
Así, se podrá constituir un sincronoscopio con lámparas rodantes o bien
con lámparas "homonimas". Sobre las lámparas se podrán colocar
voltímetros y frecuencímetros para el control de los parámetros de los
dos ternos como se indica en la fig. 1.11.
En paralelo a las lámparas también se podrán colocar los voltímetros
obteniendo así un método más adecuado para un laboratorio de
mediciones eléctricas.
Se necesitan tres voltímetros iguales con rangos poco superiores al
doble de la tensión estrellada de las dos máquinas y que serán colocados
entre los bornes correspondientes del interruptor.
Estos voltímetros demostrarán, con mayor sensibilidad con respecto a
las lámparas, la identidad del sentido cíclico de los dos circuitossolamente si tienen evoluciones iguales, o sea, si los tres tienen sus
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20
índices colocados al mismo tiempo hacia la indicación máxima para
luego descender juntos hacia el cero de la escala.
fig. 1.11 Esquema para la puesta en paralelo de dos alternadores
En caso contrario, los dos sentidos cíclicos serán considerados opuestosy será suficiente intercambiar entre sí dos conductores de uno de los
sistemas para volver a encontrar la identidad.
A este punto, en uno de los pasajes por cero de los tres voltímetros, se
podrá cerrar el interruptor, poniendo así en paralelo las dos máquinas.
Los tres instrumentos también podrán ser desconectados del circuito
después de la maniobra de paralelo.
Para esta prueba se deberá disponer de dos generadores sincrónicos
mod. EE-PQ3; en cambio por lo que se relaciona con los primeros
motores, se podrán utilizar dos de las máquinas de la dotación minima
con tal que tengan una velocidad variable.
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21
Instrumentos y equipos usados en la prueba
Véase el esquema eléctrico de la fig. .11.
• Alimentación: motor c.c. línea variable c.c. de 0 a 250 V.
• V: voltímetro de hierro móvil 250-500 V
• F: frecuencímetro a laminillas 50-60 Hz / 250-500 V• RCA: reóstato de campo alternador A: 3000 Ohm / 500 W.
• RCB: reóstato de campo alternador B: 5000 Ohm / 500 W.
• Grupo de sincronización (módulo AZ 68)
• Máquina mod. EE-PQ1 (dos móquinas) o EE-PQ2
• Máquina mod. EE-PQ3 (dos móquinas)
• Contador de revoluciones electrónico digital
HAGANLO POR SI SOLOS
a) Dos alternadores pueden dañarse seriamente durante la puesta en
paralelo. ¿Bajo cuáles dos condiciones puede suceder esto?.
b) Un alternador que se pondrá en paralelo con otro ya en función,
genera una tensión ligeramente diferente y tampoco está en fase
con el primero. ¿Cuáles de las dos condiciones debe ser cambiada
absolutamente para poder realizar el para1elo.
1.7 Características de arranque del motor sincrónico trifásico
El principio de funcionamiento de la máquina sincrónica como motor
eléctrico puede ser determinado fácilmente con el siguiente
razonamiento.
Considérese una máquina sincrónica trifásica inicialmente parada.
Supóngase alimentar el bobinado inductor con una fuente auxiliar de
corriente continua y conectar las tres fases del estator con un sistema
trifásico de tensiones. Las corrientes que circulan en las fases producen
en la cavidad estatórica de la máquina un campo rotante que esperfectamente similar a aquél que se constituye como campo de
reacción de inducido cuando la máquina funciona como generador. La
única diferencia está en el hecho de que, mientras que el campo de
reacción es producido por las corrientes generadas por la máquina
misma, en cambio en el caso del motor las corrientes que producen el
campo rodante son tomadas de la línea de alimentación. La velocidad
del campo rodante no depende más de la velocidad imprimida al rotor,
sino que es determinada por la frecuencia de las corrientes de
alimentación.
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Aunque el rotor esté parado, cuando se alimentan las tres fases
estatóricas con un sistema trifásico de corrientes a la frecuencia f,
enseguida se origina el campo rodante que asume y mantiene la
velocidad dada en RPM por la conocida fórmula
pf 60n ⋅=
siendo p la cantidad de los pares de polos de la máquina.
Con las fuerzas tangenciales que éste ejerce en los polos inductores, este
campo tiende a arrastrar el rotor en rotación sincrónica. Claro está que
si la velocidad del campo rodante en el momento en que se constituye es
muy alta para que se pueda transmitir instantáneamente al rotor, éste por
inercia queda inmóvil.
Entonces se intuye que el rotor podrá ponerse en rotación sincrónica
solamente si es llevado preventivamente a la velocidad de sincronismo
con el campo rodante que luego deberá arrastrarlo. Esto equivale a
decir que se deberá arrancar la máquina con un medio auxiliar adecuado
para llevarla a la velocidad de sincronismo antes de cerrar el interruptor
que la conecta con la línea de alimentación.
Por otra parte, como la máquina está excitada regularmente, el
interruptor no podrá ser cerrado sino cuando haya alcanzado el
sincronismo, o sea, con todas las modalidades que se requieren para
hacer el paralelo con la línea, exactamente como si se tratara de poneren servicio un nuevo generador. Cuando se haya alcanzado el paralelo
se podrá suprimir la acción motriz que ha servido para producir el
arranque.
Consecuentemente, el clásico motor sincrónico, de por sí no es un motor
auto-arrancador, sino que requiere un preventivo arranque con un medio
auxiliar. Ahora, todos los motores sincrónicos son proyectados de modo
tal que pueden ponerse en marcha ya desde la condición de reposo,
acelerar y alcanzar el sincronismo con el campo rodante sin necesidad
de arrastre.
El motor se pone en marcha como un motor de inducción; para este fin
se usan los siguientes bobinados de arranque:
a) motores con polos o rotor macizos: las corrientes parásitas que
circulan en el hierro producen el par de arranque;
b) motores a jaula en donde los conductores de cobre o sus ligas
están colocados dentro de los hoyos del rotor; éstos son
interconexos en las extremidades para obtener así un bobinado
suplementario a jaula;
c) máquinas con rotor bobinado en donde bobinas aisladas están
conexas en forma similar a bobinados polifásicos; éstas son
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23
cabecillas de anillos colectores en el árbol (como la máquina mod.
EE-PQ3).
Cada uno de estos bobinados de arranque puede ser asociado con los
diferentes tipos de motor sincrónico. Los de uso más común pueden ser
divididos así
• motores sincronicos con polos macizos: motores sincrónicos con
polos salientes con expansíones polares de hierro macizo;
• motores sincrónicos a jaula: motores sincrónicos de polos salientes
con bobinados a jaula colocados en las expansiones polares;
• motores sincrónicos de inducción: motores sincrónicos con rotor
cilíndrico con bobinado secundario similar a un rotor bobinado para
motores de inducción; este bobinado se usa para el arranque y para
la excitación (como la máquina mod. EE-PQ3)
• motores sincrónicos de inducción con polos salientes: motoressincrónicos con polos salientes que presentan bobinados en las
expansiones polares; estos bobinados están conexos a un colector de
anillos puesto en el rotor.
Como ya se ha dicho, la máquina mod. EE-PQ3 utiliza uno de estos
modos, precisamente se trata de un bobinado trifásico colocado en el
interior de un rotor con polos lisos y conectado en estrella por un lado y
por el otro es cabecilla de los 3 anillos del colector. Dos de estos anillos
son cortocircuitados permanentemente así que los conductores llevados
a la bornera solamente son dos.
Este tipo de solución ofrece las siguientes posibilidades:
• arranque del motor sincrónico como asincrónico mediante
cortocircuito del campo (se enlazan los bornes F1-F2).
• excitación y sincronización del motor ya arrancado mediante la
apertura del cortocircuito y conexión del campo (que por un
momento queda abierto) con una fuente de alimentación en c.c.
adecuada.
A continuación indicamos las modalidades para la verificación dedichas posibilidades de arranque.
La máquina, con rotor en cortocircuito (bornes F1-F2 cortocircuitados)
puede ser arrancada con plena tensión de red pero, para poder observar
mejor el funcionamiento durante la fase de arranque, es oportuno
disponer de una fuente de tensión alterna variable que muy bien
podremos tomar del banco.
Como instrumentos serán necesarios un voltímetro y un amperímetro en
el circuito de armadura y un amperímetro en el circuito de campo; este
ultimo durante el arranque dará el valor de la corriente que circula en elrotor.
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El esquema para la prueba toma el desarrollo de la fig. 1.12, en donde se
ponen en evidencia las dos fases principales de arranque y
sincronización.
fig. 1.12 Arranque y sincronización del motor sincrónico de inducción
a: arranque con rotor en cortocircuitob: sincronización con la red
La excitación será suministrada a la máquina solamente en un segundo
momento, una vez alcanzada la velocidad nominal. Esta excitación
podrá ser tomada de la línea fija c.c. interponiendo un reóstato con valorde resistencia elevado.
Durante la fase de arranque, la función del amperímetro introducido en
el circuito inducido del motor es de fundamental importancia. Este
instrumento será el que dará la señal de obtención la sincronización con
la red, con una doble posibilidad de comportamiento:
1. mientras que la corriente de excitación de la máquina es aumentada
gradualmente, la corriente absorbida por la red (antes era más bien
elevada, por el funcionamiento anormal como asincrónico del
motor), primero disminuye lentamente y luego de repente va hasta
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valores muy bajos, denunciando así el haber alcanzado la condición
de sincronismo con la red;
2. lo contrario de antes, mientras se aumenta la corriente de excitación,
la corriente de inducido (más bien elevada) tiende a aumentar más
aún hasta que, insistiendo en el alza de la corriente de campo,
aquella inducida rápidamente va hasta valores muy bajos. Esta vezel fenómeno está acompañado por un ruido característico de la
máquina que anuncia haber alcanzado la sincronización.
Ambas condiciones pueden verificarse haciendo girar la máquina
primero en un sentido y luego en el otro.
En el caso de valores excesivos de corriente absorbida durante el
arranque, el amperímetro en el circuito de armadura podrá estar
temporáneamente cortocircuitado.
Instrumentos y equipos usados en la prueba
Véase el esquema eléctrico de la fig. 1.12.
• Alimentación: armadura: línea trifásica variable 0 a 250 Vc.a.
campo: línea fija c.c. 220 V.
• A:- Amperímetro de hierro móvil 3-6 A
• V: voltímetro de hierro móvil 250-500 V
• RE : reóstato de campo mod. 3000 Ohm / 500 W• Máquina mod. EE-PQ3
HAGANLO POR SI SOLOS
a) ¿Qué precauciones se deben tomar durante el arranque del motor
sincrónico?
b) Con el circuito rotórico abierto, ¿el motor puede ponerse en
marcha normalmente?
c) Conectar un voltímetro con rango 500 Vc.a. fondo escala en los
extremos de los bornes F1-F2 (rotor) y verificar los valores de
tensión que se obtienen cuando se alimenta gradualmente la
armadura
d) ¿A que se debe la tensión medida eri los extremos de F1-F2?
¿Cuánto debería ser la tensión en los bornes F1-F2 con la
armadura alimentada a tensión nominal?
e) ¿Qué puede causar una tensión excesiva en los bobinados de la
máquina?
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26
1.8 Motor sincrónico en régimen de sobre o sub excitación compensador sincrónico para
corregir el factor de potencia
Las máquinas sincrónicas, generalmente trifásicas, cumplen la función
de transformar energía mecánica en energía eléctrica bajo forma de
corriente alterna o viceversa; en el primer caso toman el nombre degeneradores sincrónicos o alternadores; en cambio en el segundo caso
son denominadas motores sincrónicos.
Hay que notar que mientras los alternadores erogan potencia activa a la
red donde están conectados, los motores sincrónicos absorben de la red
dicha potencia.
El intercambio de potencia activa, ya sea en el funcionamiento como
alternador que como motor, generalmente está acompañado por un
intercambio de potencia reactiva; esto sucede cuando la máquina
funciona con una excitación diferente a aquélla correspondiente a cosfí
= 1.
La máquina sincrónica, en su funcionamiento como alternador, eroga
potencia reactiva de naturaleza capacitiva, si trabaja en régimen de sub-
excitación; mientras que eroga potencia reactiva de naturaleza
inductiva, si trabaja en régimen de sobre-excitación; en cambio, en el
funcionamiento como motor sincrónico, absorbe potencia reactiva de
naturaleza inductiva en régimen de sub-excitación y potencia reactiva
de naturaleza capacitiva en régimen de sobre-excitación.
Dicho esto, si pensamos que una potencia reactiva erogata de naturaleza
capacitiva, equivale a una potencia reactiva absorbida de naturaleza
inductiva y que una potencia reactiva erogada de naturaleza inductiva
corresponde a una absorbida de naturaleza capacitiva, resulta que no
hay ninguna diferencia entre alternador y motor sincrónico en relación
con el intercambio de potencia reactiva con la red con la cual la
máquina está conectada con respecto al régimen de excitación.
Un caso particular es dado por el motor sincrónico funcionante al vacío,
o sea, sin absorbimiento de potencia activa, si se exceptúa aquella
relativamente muy pequeña correspondiente a las pérdidas propias y quesolamente absorbe potencia reactiva (de naturaleza inductiva o
capacitiva según sea el régimen de excitación): en este caso la máquina
se comporta como un reactor o como un condensador y es denominada
sintéticamente compensador sincrónico.
Frecuentemente el compensador sincrónico es puesto a funcionar como
condensador (normalmente por refasaje de líneas) tornando el nombre
de condensador sincrónico.
Después de estas introducciones hay que pasar al montaje del circuitode la fig. 1.13 . Se necesitarán un amperímetro, un voltímetro y dos
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vatímetros en intercalación Aron en el circuito de armadura y un
miliamperímetro en el circuito de campo.
fig. 1.13 Esquema para la determinación de las características de funcionamiento del motor en regimen desobre o subexcitacion
La prueba tendrá el siguiente desarrollo:
1. arranque del motor sincrónico con plena tensión de red a través del
reóstato trifásico de arranque, para evitar una corriente elevada de
arranque;
2. conexión del circuito de campo con los bornes de alimentación c.c.
variable, con corriente de excitación mínima;
3. en estas condiciones ei motor absorbe de la red una potencia
reactiva con carácter inductivo que será marcada por los índices de
los dos vatímetros. Particularmente, si el sentido cíclico ha sido
controlado preventivamente, el vatímetro en posición P23 dará unaindicación negativa por causa del bajo factor de potencia (cosϕ< 0,5
con corriente en retardo con respecto a la tensión)
4. aumentando gradualmente la corriente de excitación, el índice del 2°
vatímetro irá hasta el cero de la escala (cos ϕ = 0,5: corriente en
retardo con respecto a la tensión),mientras que la corriente
absorbida mientras tanto disminuirá;
5. aumentando todavía la excitación, se alcanzará una condición en la
cual los vatímetros señalarán la misma cantidad de divisiones y
ambas serán positivas (cos ϕ = 1), condición correspondiente a la
indicación mínima del amperímetro de campo;
6. aumentando todavía la corriente de excitación, será el vatímetro enposición Pl3 el que marcará cero mientras que la corriente de
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armadura aumentará nuevamente (cos ϕ= 0,5: corriente en anticipo
con respecto a la tensión);
7. aumentando todavía la excitación, el vatímetro en posición Pl3 dará
indicación negativa por causa del bajo factor de potencia (cos ϕ<
0,5: con corriente en anticipo con respecto a la tensión).
Los datos relativos a tensión, corriente de armadura, potencia absorbida
y corriente de excitación indicados en una tabla, permitirán calcular la
potencia aparente
)VA(IV3A ⋅⋅=
la potencia activa
P = Pl3 ± P23 (w)
la potencia reactiva
Q = 1,73 (P13 - P23)
el factor de potencia
XX12
X1cos
2 −+
+=ϕ (var)
con13
23
P
PX =
Instrumentos y equipos usados en la prueba
Véase el esquema eléctrico de la fig. 1.13.
• Alimentación: armadura: línea fija trifásica, campo: línea variable 0
a 250 Vc.c.
• A: amperímetro de hierro móvil 3-6 A
• V: voltímetro de hierro móvil 250-500 V• W: vatímetros electrodinámicos 2,5-5 A / 250-500 V
• RE : reóstato de campo motor: 5000 Ohm / 500 W
• RA : reóstato de arranque: 3x 35 Ohm / 500 W
• Máquina mod. EE-PQ3
HAGANLO POR SI SOLOS
Trazar las curvas relativas a corriente de armadura y a factor de
potencia en función de la corriente de excitación.
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29
1.9 Características de funcionamiento, con carga, del motor sincrónico trifásico. Pérdida
del sincronismo
Esta prueba no difiere sustancialmente de aquella explicada en el
párrafo 1.10 para el motor de corriente continua.
Todas las particularidades explicadas en dicho capítulo, para el buen
uso de la dínamo freno, son siempre válidas y podemos tomarlas como
referencia.
Para la máquina sincrónica en prueba, no podemos hablar más de
regulación de velocidad dado su funcionamiento sincrónico con la red.
Además, debemos recordar que las características hay que recabarlas
por factor de potencia constante. Esta obligación impone la
determinación de diferentes características para varios valores de cosfí
ya prefijados.
El factor de potencia puede ser regulado con variación de la corriente de
campo de la máquina sincrónica y medido con la ayuda de los
vatímetros.
En cambio, tendrá un particular interés la determinación del par
denominado "desganche" correspondiente a una condición de
sobrecarga tal que puede hacerle perder el sincronismo a la máquina.
El punto máximo de sobrecarga para el motor sincrónico, depende de la
corriente de excitación. Más allá de este punto, los polos de rotor sedesganchan del campo magnético rodante del estator y el rotor pierde el
sincronismo; si no fuera por el bobinado rotórico particular, se realizaría
una rápida parada de la máquina; por lo que, cuando un motor
sincrónico pierde el sincronismo, debe ser desconectado rápidamente de
la red de alimentación.
Para la verificación de esta última particularidad es necesario el
acoplamiento del motor con la dínamo freno mod. EE-PQ12.
El esquema para la realización de la prueba está indicado en la fig. 1.14
y a continuación sintetizamos las fases:
1. arrancar el motor sincrónico acoplado con la dinamo freno y
sincronizarlo con la red
2. excitar ligeramente la dínamo freno hasta leer en el amperímetro del
motor una fracción de la corriente nominal de armadura;
3. regular la excitación del motor sincrónico hasta que las indicaciones
de los dos vatímetros sean iguales y ambas positivas (cos ϕ = 1); la
excitación no deberá ser aumentada más;
4. aumentar gradualmente la carga de la dínamo freno determinando
varios valores de corriente, potencia absorbida y par erogada elmotor, así como también la corriente de excitación del motor
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5. aumentar la carga hasta que el motor pierda el sincronismo.
Registrar el par requerido y quitar la alimentación;
6. repetir las fases desde la 1 hasta la 5, pero esta vez aumentando
aproximadamente el 20% la corriente de excitación.
Con los datos registrados en los dos diferentes valores de corriente deexcitación recabar:
• potencia aparente
• potencia activa
• potencia reactiva
• factor de potencia
• potencia en c.c.
• potencia rendida
• rendimiento
fig. 1.14 Esquema para la determinación de las características de funcionamiento del motor sincrónicocon carga
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Instrumentos y equipos usados en la prueba
Véase el esquema eléctrico de la fig. 1.14.
• Alimentaciones: Armadura motor sincrónico: linea fija trifásica
220 V. Campo motor sincrónico: línea variable 0a 250 Vc.c.
campo dinamo freno: línea fija 220 Vc.c.
• A: amperímetro de hierro móvil 3-6 A
• V: voltímetro de hierro móvil 250-500 V
• W: vatímetro electrodinámico 2,5-5 A / 250-500 V
• RE : reóstato de campo motor: 3000 Ohm / 500 W
• RD : reóstato de campo dinamo freno: 5000 Ohm / 500 W
• RA : reóstato de arranque motor: 35 Ohm / 500 W
• RC reóstato de carga dínamo freno mod. EE-RV
• IC : interruptor de separación carga• Máquina mod. EE-PQ3
• Máquina mod. EE-PQ12
• Contador de revoluciones electrónico digital
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1.10 Paralelo con la red y determinación de la curva en "V"
Para efectuar el paralelo del generador con la red bastará repetir las
operaciones indicadas en el párrafo 1.6 entre los bornes del alternador y
la tensión disponible en los tres bornes de llegada de la alimentación
fija.
De este modo se presentará una segunda valiosa solución al problema
de la carga del alternador variable en módulo y en fase ya tratado en los
párrafos anteriores. En efecto, ya no será necesaria la carga trifásica
variable en módulo y en fase pero todo se podrá desarrollar en el banco.
Obteniendo el paralelo del generador en prueba con la red, se obtendrán
varias ventajas: antes que nada todo el grupo quedará firmemente
vinculado a la frecuencia de red; siendo ésta constante, también la
velocidad quedará fija en el valor nominal por toda la prueba (para
nuestras máquinas con dos polos, de 50 Hz: 3000 RPM ó 60 Hz 3600
RPM). No será necesario el control continuo de la velocidad sobretodo
durante las pruebas con carga variable. El aumento de potencia activa
generada por el alternador se obtendrá, partiendo de la posición relativa
a la puesta en paralelo, actuando en el reóstato de campo del motor de
c.c. en el sentido de aumentar la velocidad. Naturalmente ésta, por
cuanto ya dicho arriba, no podrá variar y será la potencia activa
generada 1a que aumentará regresando en la red con recuperación de
energía (exactamente como en una central, el aumento de caudal del
fluido en la turbina, no influye en la cantidad de revoluciones sino
solamente en la potencia activa emitida en la red por el alternador).
Naturalmente, por los mismos motivos, actuando en el reóstato de
campo del motor de c.c., en el sentido de disminución de la velocidad
(siempre partiendo de la posición de paralelo) ei generador no podrá
rebajar y, habiéndose invertido el par en el árbol, funcionar como motor
arrastrando el motor de c.c. y absorbiendo de la red la potencia activa
que podrá ser variada, dentro de los límites de estabilidad, con la simple
maniobra en el reóstato.
El aumento o la disminución de potencia reactiva se obtendrán actuando
en la excitación del generador sincrónico y, aumentando la excitación,el generador suministrará potencia reactiva a la red. Estas
consideraciones evidencian la sencillez de las maniobras de carga con
respecto a cuanto se ha explicado en los capítulos anteriores. Esta
valiosa solución, lamentablemente no es realizable para la
determinación con el método directo de las características del alternador
bajo carga. En efecto, en algunas de estas pruebas la corriente de
excitación del alternador debe ser mantenida constante; en otras debe
ser variada para determinadas condiciones de carga constante,
condiciones que se pueden obtener solamente con una carga externa.
Obviamente entre generador y red se habrán colocado: un amperímetro,un voltímetro y dos vatímetros en Aron para el control de la fase, el
frecuencímetro puede ser introducido con una única finalidad didáctica.
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Con este circuito se podrán determinar con mucha facilidad las curvas
en "V" para la máquina funcionante ya sea como generador que como
motor.
Fijando, como ya se ha dicho, una cierta potencia activa absorbida ogenerada con una acción en el reóstato del motor de c.c. (también podría
ser una potencia casi igual a cero para las condiciones de paralelo
apenas alcanzado), será suficiente variar la corriente de excitación para
determinar las consecuentes variaciones de corriente absorbida por la
máquina sincrónica, o bien erogada. Esta corriente llevada en función
de la corriente de excitación torna el clásico desarrollo en "V".
La prueba puede ser repetida para varios valores de potencia absorbida
o generada. La fig. 1.15, muestra el desarrollo de tales curvas para el
motor sincrónico. Los vértices de las curvas representan los puntos de
funcionamiento con cosfí igual a uno (corriente mínima absorbida); los
valores en sub-excitación con respecto a dicho límite representan
corrientes absorbidas por el motor en retardo sobre la tensión mientras
que los puntos en sobre-excitación representan corrientes absorbidas en
anticipo. En el generador estas funciones se invierten, o sea, en la zona
de sub-excitación la máquina suministrará a la red corriente desplazada
en anticipo mientras que en la zona en sobre-excitación la máquina
suministrará corriente en retardo.
Hay que notar que en estas pruebas la potencia activa generada por el
alternador regresa a la red. Este sistema, denominado de recuperaciónde energía, permite un derroche mínimo de trabajo para la ejecución de
la prueba.
La selección de los instrumentos y de los procedimientos de ejecución
de esta prueba, es confiada a los mismos estudiantes.
fig. 1.15 Determinación de la curvas en “V” de un motor sincrónico