Reporte 1_401.docx

1

Experimento 401: Característica de excitación de un generador sincrónico (Alternador) I.

INTRODUCCIÓN

IV.

El principio de funcionamiento y la constitución de las máquinas síncronas, trata de conseguir un acoplamiento magnético entre los campos del rotor y el estator. Normalmente, en el rotor se sitúa un campo magnético fijo. En las máquinas de pequeña potencia ese campo magnético fijo se puede conseguir utilizando un simple imán permanente, pero para máquinas de mayor potencia no es suficiente con el imán permanente y se recurre a electroimanes. Se necesita pues, una fuente de corriente continua que pueda ser introducida en el rotor. La solución más utilizada consiste en disponer en el eje de anillos rozantes a través de los que inyectar en el inductor la corriente continua necesaria para generar un potente campo magnético. El alternador, al igual que el dinamo, es un generador de corriente que transforma la energía mecánica que recibe en su árbol en energía eléctrica que se recoge en sus bornes. II.

OBJETIVOS

1) Por medio de las mediciones obtener los datos correctos y necesarios para la realización de los gráficos. 2) Con los datos obtenidos realizar la gráfica de frecuencia vs velocidad del rotor y mostrar la linealidad entre estas dos cantidades. 3) Realizar la gráfica de voltaje inducido vs corriente de excitación para mostrar la característica sin carga del generador. III.

EQUIPO NECESARIO

Tabla 401.1: equipo necesario. EQUIPO

SÍMBOLO

Fuente de voltaje constante DC Interruptor ON/OFF dos polos/ un tiro

S1

16 A

Interruptor ON/OFF dos polos/ un tiro

S2

16 A

Interruptor ON/OFF un polo/ un tiro

S3

16 A

Interruptor ON/OFF dos polos/ un tiro

S4

16 A

Voltímetro AC

V

1 - 120 V

Amperímetro DC

A

0 - 2.5 A

Medidor de velocidad

n

0 – 2500 rpm

Medidor de frecuencia

Hz

45 – 55 Hz

Resistencia

Rs RR

0 – 500  500W

Reóstato para campo de maquina síncrona

RE

0 - 250 Ω 500W

Maquina trifásica síncrona (4 polos)

G

Y - 1100 VA 208 V

Motor DC

A

160W 110V

Reóstato para campo de maquina DC

Ingeniería Eléctrica Industrial - UNAH

Un generador sincrónico posee dos circuitos distintos: a)

El circuito inductor de excitación, que se localiza generalmente en el rotor y se energiza con DC.

b) El circuito inducido, que se halla normalmente en el estator, donde un sistema trifásico de F.E.M. es inducido por la rotación del rotor. La CC necesaria para la excitación de alternadores grandes se genera con un generador de CC excitado en derivación y acoplado mecánicamente a la maquina sincrónica. La salida de este generador (el excitador) es aproximadamente del 2% al 4% de la que necesita la maquina sincrónica. Los alternadores de tamaño mediano emplean ampliamente la autoexcitación, tal como las máquinas de CC excitadas en derivación. La pequeña F.E.M. inducida por la magnetización residual de los polos inductores es rectificada y usada para energizar el circuito de excitación. Las conexiones internas son más complicadas en este caso y existe un gran número de diseños diferentes. Cada generador sincrónico, sin importar su tipo, cumple las dos ecuaciones básicas de la condición sin carga: 𝑓 = (𝑝 ∗ 𝑛)/60

[𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜/𝑠𝑒𝑔]

(401- 1 )

que da la frecuencia de la F.E.M. generada en función de la velocidad del rotor y: 2𝜋 (401- 2 ) 𝐸= ∗ 𝑓 ∗ 𝛷 ∗ 𝑁 ∗ 𝑞 ∗ 𝑝 ∗ 𝑔 [𝑉] √2 que provee la F.E.M. generada en función de la magnitud del flujo magnético en el polo. Los símbolos de las ecuaciones son:

VALOR 110V 10A

MARCO TEÓRICO

E F.E.M. generada a la frecuencia y magnitud del flujo en el polo magnético. p numero de pares de polos de la máquina. n velocidad del rotor [rpm] f frecuencia de la F.E.M. generada [Hz] Φ flujo magnético en un polo V.S [Wb] N numero efectivo de conductores en una ranura del estator. q numero de ranuras pertenecientes a una fase en cada polo g factor numérico dependiente del tipo de arrollamiento del estator (e general es aproximadamente 1). Las ecuaciones (401-1) y (401-2) indican algunas propiedades importantes de los generadores sincrónicos: a)

La ecuación (401-1) muestra que la frecuencia generada es directamente proporcional a la velocidad del rotor. Como todas las aplicaciones técnicas requieren una frecuencia constante, el alternador debe ser accionado a velocidad constante pues las variaciones en la carga afectan la velocidad del rotor; la fuerza motriz primaria

2 deberá en consecuencia adaptarse con un control sofisticado capaz de mantener la velocidad constante, a pesar de variaciones de la carga.

14) Reducimos RE a cero en pasos de aproximadamente 10% de la resistencia máxima. Repetimos el paso 14 para cada resistencia.

b) La ecuación (401-2) muestra que la F.E.M. generada es directamente proporcional al flujo Φ en el polo. Este flujo es inducido por la corriente de excitación. Generalmente se necesita un generador para entregar una tensión constante a los terminales de la maquina, para todas las cargas. Por los motivos que se verán en los próximos experimentos, la corriente de carga afecta mucho al flujo Φ en el polo; por lo tanto, para mantener la tensión constante, la corriente de excitación debe variar con el cambio de la carga.

15) Para finalizar el experimento, abrimos S4, S1, S2, S3 y desconectamos la alimentación. VI.

TABLAS Y GRÁFICOS

Los generadores sincrónicos tienen que tener un regulador de tensión que ajuste automáticamente la corriente de excitación, al desviarse la tensión del generador del valor necesario. V.

PROCEDIMIENTO

1) Conectamos todos los ítems de la tabla 401.1, tanto mecánica como eléctricamente, según se indica en la figura 401.1. 2) Antes de activar la fuente de alimentación, verificamos que cada parte del equipo está en su estado correcto, especificado en la tabla 401.2.

Figura 401.1: diagrama de conexiones del experimento. Tabla 401.2: estado inicial del equipo. Símbolo del equipo

3) Activamos la fuente de alimentación. 4) Cerramos S1 para poner en marcha el motor: el tacómetro indicara la velocidad del rotor. 5) Esperamos unos segundos para cerras S3. La puesta en marcha habrá finalizado con esta operación.

Estado

S1

Abierto

S2

Abierto

S3

Abierto

S4

Abierto

RR

Resistencia nula

RE

Resistencia máxima

Tabla 401.3: resultados de las mediciones.

PRIMERA PARTE DEL EXPERIMENTO.

N°

IE [A]

n [rpm]

f [Hz]

6) Ajustando RR llevamos la velocidad del motor a 1650 rpm para un sistema de 60Hz.

1

0.85

1650

56.0

2

0.70

1700

58.5

7) Cerramos S2 Y después S4.

3

0.65

1750

60.0

8) Ajustando RE llevamos la tensión a su valor nominal de fase, indica en la placa identificadora. Si cambia la velocidad, volverla a ajustar a su valor requerido.

4

0.60

1800

61.5

5

0.56

1850

63.0

6

0.54

1900

64.5

1

0.45

2

0.50

9) Medimos la corriente de excitación IE, la frecuencia f y la velocidad n. anotamos estos valores en la tabla 401.3. 10) Ajustando RR aumentamos la velocidad en pasos de 50 rpm cada uno, hasta 1900 rpm. Repetimos los pasos 8 y 9 para cada velocidad. SEGUNDA PARTE DEL EXPERIMENTO. 11) Ajustamos RR para llevar la velocidad del rotor a su velocidad nominal de 1800 rpm para un sistema de 60 Hz. 12) Aumentamos RE a su valor máximo, para reducir la F.E.M. a su mínimo indicado en el voltímetro V. 13) Medimos IE y V. Anotamos estos valores en la tabla 401.3.

Ingeniería Eléctrica Industrial - UNAH

V [V]

Tensión nominal

Primera parte del experimento

120

103 110 Velocidad nominal

3

0.60

4

0.80

5

1.10

140

6

1.35

145

1800

60

120 130

Segunda parte del experimento

3 VIII.

f (Hz) 66

CUESTIONARIO

Un generador sincrónico se diseña para operar a una frecuencia de 60Hz. Este tiene 2p = 4 polos. Debido a los limitadores del laboratorio de experimentos, se determina la característica sin carga a una velocidad de 1000 RPM, obteniéndose los resultados de la siguiente tabla:

64 62 60

IEX (A)

58

FEM (V)

56

IEX (A)

n (RPM)

54 1600

1650

1700

1750

1800

1850

1900

FEM (V)

1

2

3

4

5

21.6

43.2

66.0

87.6

109.2

6

7

8

9

10

127.8

145.2

160.8

171.6

180

1950

Conteste las siguientes preguntas:

Figura 401.2: f=f(n) a tensión constante (V=120 V)

1) ¿Cuál será la frecuencia del generador a 1000 RPM? R//

IE (A) 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

𝑓=

1000 ∗ 4 = 33.33 𝐻𝑧 120

2) ¿A qué velocidad se deberá accionar el generador para obtener una frecuencia de 60 Hz R// 𝑛=

60 ∗ 120 = 1800 𝑅𝑃𝑀 4

n (RPM) 1600

1650

1700

1750

1800

1850

1900

3) ¿Cuál será la característica sin carga en condiciones nominales (velocidad nominal)?

1950

Figura 401.3: IE=f(n) a F.E.M. constante (V=120 V)

R// F.E.M. (V)

Caracteristica sin carga

𝐸𝑎𝑓1 =

1800 ∗ 21.6 = 38.9 𝑉 1000

𝐸𝑎𝑓2 =

1800 ∗ 43.2 = 77.8 𝑉 1000

𝐸𝑎𝑓3 =

1800 ∗ 66 = 118.8 𝑉 900

𝐸𝑎𝑓4 =

1800 ∗ 87.6 = 157.7 𝑉 1000

𝐸𝑎𝑓5 =

1800 ∗ 109.2 = 196.6 𝑉 900

𝐸𝑎𝑓6 =

1800 ∗ 127.8 = 230.0 𝑉 1000

𝐸𝑎𝑓7 =

1800 ∗ 145.2 = 261.4 𝑉 1000

𝐸𝑎𝑓8 =

1800 ∗ 160.8 = 289.4 𝑉 1000

𝐸𝑎𝑓9 =

1800 ∗ 171.6 = 308.9 𝑉 1000

160 140 120 100 80 60 40 20

IE (A)

0 0

0.5

1

1.5

Figura 401.4: E = f(IE) a velocidad constante.

VII. 1.

2.

3.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Como se observa en la figura 401.2 la frecuencia tiene un comportamiento lineal con la velocidad del rotor, esto se observaría de una mejor manera si hubiésemos tomado más datos, y así tendríamos una mejor visualización de la linealidad entre ambas. En la segunda grafica se observa que a un voltaje constante, si se aumenta la velocidad la corriente d excitación disminuirá. La tercer grafica muestra la curva de característica sin carga del generador, donde se observa que el cambio en el voltaje ira disminuyendo al menor cambio de la corriente. Ingeniería Eléctrica Industrial - UNAH

𝐸𝑎𝑓10 =

1800 ∗ 180 = 324.0 𝑉 1000

4 IX.

CONCLUSIONES

1) Al observar que al variar la velocidad cambia la corriente, concluimos que la frecuencia y la corriente de excitación son inversamente proporcionales. 2) Con los datos y la gráfica 401.3 concluimos que la velocidad del rotor y la frecuencia son directamente proporcionales y tienen un comportamiento lineal. 3) El voltaje inducido y la corriente de excitación tiene un comportamiento lineal hasta el punto de saturación, donde ocurre un cambio en el comportamiento del gráfico.

X.

BIBLIOGRAFÍA

[1] «GUIA 401: CARACTERISTICA DE EXCITACIÓN DE UN GENERADOR SINCRÓNICO (ALTERNADOR),» 2019.

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