e
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
PUESTA EN SERVICIO DEL MODELO DL30190 PARA
GENERADORES SÍNCRONOS TRIFÁSICOS
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
PRESENTA
MARÍA DEL ROSARIO LAGUNAS SÁNCHEZ
ASESORES ING. DOMINGO ALMENDARES AMADOR
M. en C. JOSE ANTONIO CASTILLO JIMÉNEZ
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
MÉXICO D.F. JUNIO 2013
DEDICATORIAS
Para todas las personas que han estado conmigo en las
buenas y en las malas, con cariño y respeto a mi madre María
del Rosario Sánchez Pérez y a mis hermanos que a pesar de
los problemas seguimos unidos.
Gracias a todas las personas involucradas en la realización
de este trabajo, por su apoyo, tolerancia, paciencia y amistad
esto ha sido posible.
Gracias por todo el apoyo de las personas que se encuentran
lejos de mí, por sus buenos deseos y cariño y palabras de
aliento que me dieron cuando más lo necesite.
A esta Institución que me dio la oportunidad de desarrollarme
y expandir mis expectativas.
GRACIAS
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
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AGRADECIMIENTOS
A mi madre y hermanos, por la paciencia y el apoyo en todo este tiempo, este trabajo es por ustedes y espero no haberlos defraudado, cada letra de este trabajo fue escrito para ustedes, gracias¡¡ una disculpa por la demora, todos sus esfuerzos y tiempo les serán recompensados
A mis amigos, Eduardo, Raúl y Ulises por brindarme su amistad incondicional y sus palabras de aliento, por los momentos buenos y malos que compartimos y por ayudarme a seguir adelante, sin su apoyo no hubiera logrado esto.
A Mayra y Daniel, a pesar del tiempo y la distancia sus buenos deseos y su amistad han estado conmigo y se los agradezco de todo corazón, este esfuerzo también es para ustedes. Ingeniero Domingo Almendares Amador, por su apoyo y sobre todo la paciencia que
tuvo para que sacara adelante este trabajo, por compartir algunas de sus experiencias conmigo, es una de las personas que más admiro y respeto por ser un gran ser humano y amigo.
M. en C. José Antonio Castillo Jiménez, por apoyarme en la dirección de este trabajo, por
ser un maestro paciente y aunque fue poco tiempo el que le conocí, le tengo gran respeto y admiración gracias.
Al Instituto Politécnico Nacional, en especial a la Academia de Electrónica de la ESIME Zacatenco, a los profesores de la misma que me brindaron su apoyo y tiempo. “Gracias
Maestros”.
Y a todas las personas en general que de alguna forma participaron en la contribución de este trabajo.
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i
ÍNDICE DE CONTENIDO
ÍNDICE
i
ÍNDICE DE FIGURAS
iv
ÍNDICE DE TABLAS
viii
ESTRUCTURA DEL PROYECTO TERMINAL
x
1. CONCEPTOS GENERALES 1
1.1 INTRODUCCIÓN 1
1.2 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA 2
1.3 OBJETIVO GENERAL 2
1.3.1 OBJETIVOS PARTICULARES 3
1.4 JUSTIFICACIÓN 3
1.5 ALCANCE 3
1.6 CONCEPTOS GENERALES 4
1.7 ESTADO DEL ARTE 5
2. GENERADOR SÍNCRONO TRIFÁSICO 8
2.1 INTRODUCCIÓN 8
2.1.1 ASPECTOS CONSTRUCTIVOS 9
2.1.1.1 Estator 9
2.1.1.2 Rotor 11
2.1.1.3 Excitatriz (Sistema de Excitación) 13
2.1.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO 14
2.1.2.1 Generación Sinusoidal 15
2.1.3 CIRCUITO EQUIVALENTE 18
2.2 CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR SÍNCRONO TRIFÁSICO 25 2.2.1 CARACTERÍSTICA DE CIRCUITO ABIERTO (EN VACÍO) 25 2.2.2 CARACTERÍSTICA DE CIRCUITO CERRADO ( CORTOCIRCUITO) 27
2.3 IMPEDANCIA SÍNCRONA 28
3. PRUEBAS PARA LA PUESTA EN SERVICIO DEL MÓDULO DL30190 30
3.1 INTRODUCCIÓN 30
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3.2.2 GENERADOR DE CC CON EXCITACIÓN EN PARALELO DL30250 33 3.2.3 MÓDULO DE ALIMENTACIÓN PARA MÁQUINAS Y MEDICIONES
ELÉCTRICAS DL30018
35
3.2.3.1 Disposición de señalizadores y controles 36
3.2.4 TRANSDUCTOR ÓPTICO DL2031M 37
3.2.4.1 Composición del transductor óptico DL2031M 38
3.2.4.2 Instalación 38
3.2.5 TACÓMETRO ELECTRÓNICO DL2025DT 39 3.2.6 MÓDULO PARA LA MEDICIÓN DE LA POTENCIA ELÉCTRICA DL30061 42 3.2.7 MEDIDOR DEL FACTOR DE POTENCIA DL2109T27 44 3.2.8 REÓSTATO DE ARRANQUE PARA MÁQUINAS CC DL30200RHD 45
3.2.9 REÓSTATO DE EXCITACIÓN DL30205 46
3.2.10 SINCRONOSCOPIO DL1030 47
3.2.11 CARGAS DE LA SERIE 300 49
3.2.11.1 Características eléctricas de la carga capacitiva DL 30040C 50 3.2.11.2 Características eléctricas de la carga inductiva DL30040L 51 3.2.11.3 Características eléctricas de la carga resistiva DL30040R 52 3.3 DESCRIPCIÓN DE LAS PRUEBAS BASADAS EN EL MÓDULO DL30190 53
3.3.1 INTRODUCCIÓN 53
3.3.2 OBJETIVOS GENERALES DE LAS PRUEBAS 54
3.4 PRUEBAS DE LABORATORIO USANDO EL MÓDULO DL30190 55 PRUEBA 1 MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DE LOS DEVANADOS DEL GENERADOR
SÍNCRONO TRIFÁSICO DL30190
55
PRUEBA 2 CARACTERÍSTICA DE MAGNETIZACIÓN O VACÍO DEL MÓDULO DL30190
62
PRUEBA 3 MEDICIÓN DE LAS PÉRDIDAS EN EL GENERADOR SÍNCRONO TRIFÁSICO DL30190
68
PRUEBA 4 CARACTERÍSTICA DE CORTOCIRCUITO DEL MÓDULO DL30190 79 PRUEBA 5 DETERMINACIÓN DE LA IMPEDANCIA SÍNCRONA POR EL MÉTODO DE
BEHN-ESCHENBURG
84
PRUEBA 6 DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS EXTERNAS DEL MÓDULO DL30190
89
PRUEBA 7 DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE REGULACIÓN DEL MÓDULO DL30190
97
PRUEBA 8 DETERMINACIÓN DE LOS COEFICIENTES Xd y α POR EL MÉTODO DE POTIER
103
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iii
PRUEBA 10 CURVA“ EN V O DE MORDEY DEL MOTOR “ÍNCRONO DL30190 126
CONCLUSIONES 181
APÉNDICE A COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS CON EL MÓDULO DL30190, CON OTROS LABORATORIOS
186
APÉNDICE B CÁLCULOS POSTERIORES DE LAS PRUEBAS REALIZADAS AL MÓDULO DL30190 194 APÉNDICE C DETERMINACIÓN DE LAS REACTANCIAS TRANSITORIAS Y SUBTRANSITORIAS DEL
GENERADOR SÍNCRONO TRIFÁSICO
213
BIBLIOGRAFÍA 217
4. ANÁLISIS DEL RESULTADO DE LAS PRUEBAS REALIZADAS AL MÓDULO DL30190 134
4.1 INTRODUCCIÓN 134
PRUEBA 1 MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DE LOS DEVANADOS DEL GENERADOR
SÍNCRONO TRIFÁSICO DL30190 135
PRUEBA 2 CARACTERÍSTICA DE MAGNETIZACIÓN O VACÍO DEL MÓDULO DL30190
138
PRUEBA 3 MEDICIÓN DE LAS PÉRDIDAS EN EL GENERADOR SÍNCRONO TRIFÁSICO DL30190
142
PRUEBA 4 CARACTERÍSTICA DE CORTOCIRCUITO DEL MÓDULO DL30190 145 PRUEBA 5 DETERMINACIÓN DE LA IMPEDANCIA SÍNCRONA POR EL MÉTODO
DE BEHN-ESCHENBURG
147
PRUEBA 6 DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS EXTERNAS DEL MÓDULO DL30190
150
PRUEBA 7 DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE REGULACIÓN DEL MÓDULO DL30190
157
PRUEBA 8 DETERMINACIÓN DE LOS COEFICIENTES Xd y α POR EL MÉTODO DE POTIER
162
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ÍNDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO 2
Figura 2.1 Partes principales de un generador síncrono trifásico 9
Figura 2.2 Estator de un generador síncrono trifásico 10
Figura 2.3 Tipos de construcción de rotor de máquina síncrona: A) Polos salientes, B) Polos lisos 11
Figura 2.4 Sistema de excitación sin escobillas o electrónico 13
Figura 2.5 Esquema del principio de funcionamiento del generador síncrono trifásico 14
Figura 2.6 Generador elemental 15
Figura 2.7 Detalle de la espira en el campo magnético 16
Figura 2.8 Sinusoides de flujo y F.E.M. 18
Figura 2.9 Circuito equivalente de un generador síncrono trifásico 19
Figura 2.10 Curva en vacío de un generador síncrono trifásico 20
Figura 2.11 Posición de los campos magnéticos del rotor y de reacción de armadura para carga resistiva 22 Figura 2.12 Diagrama fasorial para carga resistiva (F.p. unitario) 22 Figura 2.13 Posición de los campos magnéticos del rotor y de reacción de armadura para carga inductiva 23 Figura 2.14 Diagrama fasorial para carga inductiva (F.p. atrasado) 24 Figura 2.15 Posición de los campos magnéticos del rotor y de reacción de armadura para carga capacitiva 24 Figura 2.16 Diagrama fasorial para carga capacitiva (F.p. adelantado) 25
Figura 2.17 Diagrama para realizar la prueba de circuito abierto 26
Figura 2.18 Curva de vacío de un generador síncrono trifásico 26
Figura 2.19 Diagrama para realizar la prueba de corto circuito 27
Figura 2.20 Curva de corto circuito de un generador síncrono trifásico 28 Figura 2.21 Características de circuito abierto y de corto circuito de un generador síncrono trifásico 29
CAPÍTULO 3
Figura 3.1 Placa de conexiones del módulo DL30190 32
Figura 3.2 Placa de datos del módulo DL30190 33
Figura 3.3 Placa de conexiones del módulo DL30250 34
Figura 3.4 Placa de datos del módulo DL30250 34
Figura 3.5 Parte frontal del módulo DL30018 para conexiones 36
Figura 3.6 Parte trasera del módulo DL30018 37
Figura 3.7 Composición física del módulo DL2031M 38
Figura 3.8 Diagramas de instalación del módulo DL2031M 39
Figura 3.9 Parte frontal del módulo DL2025DT 40
Figura 3.10 Parte trasera del módulo DL2025DT 41
Figura 3.11 Parte frontal del módulo DL30061 para conexiones 43
Figura 3.12 Diagrama físico del módulo DL2109T27 44
Figura 3.13 A Diagrama de conexión para máquinas con excitación derivada 45 Figura 3.13 B Diagrama de conexión para máquinas con excitación compuesta 45
Figura 3.14 A Diagrama de conexión reostática del módulo DL30205 46
Figura 3.14 B Diagrama de conexión potenciométrica del módulo DL30205 46
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Figura 3.16 Diagrama físico de conexión del módulo DL1030 47
Figura 3.17 A Diagrama físico de conexión en estrella del módulo DL30040C, 30040L y 30040R 49 Figura 3.17 B Diagrama físico de conexión delta del módulo DL30040C, 30040L y 30040R 49 Figura 3.17 C Diagrama físico de conexión en paralelo del módulo DL30040C, 30040L y 30040R 49 Figura 3.18 Diagrama de conexión para la prueba de medida de resistencia de los devanados 55 Figura 3.19 Diagrama de conexión del módulo DL30250 (excitatriz del generador síncrono) 58 Figura 3.20 Diagrama eléctrico para la prueba de medida de resistencia del devanado de inducido 59 Figura 3.21 Diagrama eléctrico para la prueba de medida de resistencia del devanado de excitación 60 Figura 3.22 Diagrama eléctrico para obtener las características de magnetización del módulo DL30190 63
Figura 3.23 Curva de magnetización de una máquina síncrona 63
Figura 3.24 Diagrama eléctrico para la prueba de características de magnetización 65
Figura 3.25 Curva de magnetización a 3600 r.p.m. 67
Figura 3.26 Diagrama de conexión para la medición de las pérdidas en el generador síncrono trifásico 70 Figura 3.27 Curva de las pérdidas adicionales en relación con la curva de cortocircuito 72 Figura 3.28 Diagrama eléctrico para las pérdidas en vacío del motor de arrastre 74 Figura 3.29 Diagrama eléctrico para las pérdidas mecánicas del generador síncrono 75 Figura 3.30 Diagrama eléctrico para las pérdidas en el hierro del generador síncrono 76 Figura 3.31 Diagrama eléctrico para las pérdidas adicionales en el generador síncrono 77 Figura 3.32 Diagrama eléctrico de conexión para la prueba de cortocircuito 79 Figura 3.33 Curva característica de cortocircuito del generador síncrono trifásico 79
Figura 3.34 Diagrama eléctrico para la prueba de cortocircuito 81
Figura 3.35 Curva de cortocircuito del módulo DL30190 83
Figura 3.36 Diagrama eléctrico del método de Behn-Eschenburg para la obtención de la impedancia síncrona 85 Figura 3.37 Curva de la impedancia síncrona por el método de Behn-Eschenburg 86
Figura 3.38 Curva de la impedancia síncrona del módulo DL30190 88
Figura 3.39 Circuito equivalente del generador alimentando una carga 89 Figura 3.40 Curvas de características externas del generador síncrono 90 Figura 3.41 Diagrama eléctrico para la obtención de las características externas 92 Figura 3.42 Diagrama eléctrico para determinar las características de regulación del generador síncrono 97 Figura 3.43 Curvas de las características de regulación del generador síncrono trifásico 98 Figura 3.44 Diagrama eléctrico para la obtención de las características de regulación 100 Figura 3.45 Diagrama eléctrico para la prueba de factor de potencia = 0 104 Figura 3.46 Procedimiento grafico para determinar los puntos Xd y α 105 Figura 3.47 Diagra a vectorial de la deter inación de los puntos Xd y α 107
Figura 3.48 Diagrama eléctrico para la curva de reactancias 109
Figura 3.49 Diagrama eléctrico para el paralelo del alternador con la red eléctrica 113 Figura 3.50 Diagrama vectorial del generador conectado en paralelo a la red eléctrica 115 Figura 3.51 Diagrama vectorial del generador con distintas secuencias 116 Figura 3.52 Diagrama vectorial del generador con el sistema de lámparas encendidas 117 Figura 3.53 Diagrama vectorial del generador con el sistema de lámparas encendidas con la misma tensión 118 Figura 3.54 Diagrama eléctrico para conectar el generador en paralelo con la red eléctrica 119
Figura 3.55 Curvas en V del otor síncrono 127
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CAPÍTULO 4
Figura 4.1 Diagrama físico de la medición de la resistencia de armadura utilizando el reóstato de armadura DL30200RHD
135
Figura 4.2 A Diagrama físico de la medición de la resistencia de armadura 137 Figura 4.2 B Diagrama físico de la medición de la resistencia de campo 137 Figura 4.3 Diagrama físico de la prueba de magnetización o de vacío 138 Figura 4.4 Diagrama físico de la prueba de magnetización a 3400 r.p.m. 139
Figura 4.5 Curva de magnetización a 3600 r.p.m. 140
Figura 4.6 Diagrama físico para la prueba de determinación de pérdidas en el generador síncrono 142 Figura 4.7 Curva de las pérdidas del generador síncrono trifásico en relación a la ICC 144 Figura 4.8 Diagrama físico para la característica de cortocircuito 145 Figura 4.9 Curva de cortocircuito del generador síncrono trifásico DL30190 en valores en p.u. 146 Figura 4.10 Curva de las características de circuito abierto y cortocircuito del módulo DL30190 147 Figura 4.11 Curva de comportamiento de la impedancia síncrona en relación al cortocircuito y circuito abierto 148 Figura 4.12 Curva de comportamiento de la tensión con carga inductiva 150 Figura 4.13 Curva de comportamiento de la tensión con carga capacitiva 151 Figura 4.14 Curva de comportamiento de la tensión con carga resistiva 152 Figura 4.15 Familia de curvas de características externas del módulo DL30190 153 Figura 4.16 Diagrama físico de conexión para determinar las características externas del módulo DL30190 155
Figura 4.17 Pantalla del analizador de redes AEMC 156
Figura 4.18 Analizador de redes AEMC 156
Figura 4.19 Comportamiento de la corriente de excitación con carga capacitiva 157 Figura 4.20 Familia de curvas de las características de regulación del módulo DL30190 158 Figura 4.21 Comportamiento de la corriente de excitación con carga RC 159 Figura 4.22 Diagrama físico de conexión para determinar las características de regulación del módulo
DL30190
161
Figura 4.23 Cara frontal de la carga inductiva variable 162
Figura 4.24 Vista trasera de la carga inductiva variable 162
Figura 4.25 Carga inductiva variable de 5A 163
Figura 4.26 Construcción del Triángulo de Potier en relación a las curvas de vacío, cortocircuito y reactancia 164
Figura 4.27 Diagrama vectorial del Triángulo de Potier 167
Figura 4.28 Diagrama físico de conexión para la curva de reactancias 168 Figura 4.29 Diagrama físico para la puesta en paralelo del generador con la red eléctrica 169 Figura 4.30 Diagrama vectorial del paralelo aumentando la corriente de excitación 174 Figura 4.31 Diagrama vectorial del paralelo al disminuir la corriente de excitación 175
Figura 4.32 Conexión del módulo DL30190 como motor síncrono 177
Figura 4.33 Conexión del módulo DL30190 como motor síncrono impulsando una carga 178 Figura 4.34 Diagrama eléctrico de un generador de C.C. con excitación independiente 178
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APÉNDICE A
Figura A.1 Curva de vacío de la máquina síncrona de 1 kVA 187
Figura A.2 Curva de vacío de la máquina síncrona de 1.68 MVA 189
Figura A.3 Curva de vacío de la máquina síncrona de 5 MVA 190
Figura A.4 Curva de vacío de la máquina síncrona de 6.25 KVA obtenida a través de MATLAB 192 Figura A.5 Comparación de las curvas de vacío de máquinas síncronas de distinta potencia en p.u. 193
APÉNDICE C
Figura C.1 Determinación de Xd 213
Figura C.2 Oscilograma de cortocircuito trifásico 214
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ÍNDICE DE TABLAS
CAPÍTULO 3
Tabla 3.1 Clasificación del equipo según el fabricante 31
Tabla 3.2 Características eléctricas del módulo DL30018 35
Tabla 3.3 Simbología de las partes componentes del módulo DL30018 36 Tabla 3.4 Características eléctricas del tacómetro electrónico DL2031M 39
Tabla 3.5 Características físicas del tacómetro DL2025DT 40
Tabla 3.6 Características eléctricas del módulo DL30061 42
Tabla 3.7 Definición y características eléctricas de cada salida del módulo DL30061 43
Tabla 3.8 Características eléctricas del módulo DL2109T27 44
Tabla 3.9 Características eléctricas del módulo DL30040C 50
Tabla 3.10 Características eléctricas del módulo DL30040L 51
Tabla 3.11 Características eléctricas del módulo DL30040R 52
Tabla 3.12 Resistencia en los devanados del generador síncrono sin tensión 57 Tabla 3.13 Valores de tensión y corriente para determinar la resistencia de armadura 60 Tabla 3.14 Valores de tensión y corriente para determinar la resistencia de campo 61
Tabla 3.15 Tensión y corriente para la curva de magnetización 66
Tabla 3.15 (CONTINUACIÓN) Tensión y corriente para la curva de magnetización 67 Tabla 3.16 Valores de tensión y corriente para el cálculo de las pérdidas del módulo DL30190 78 Tabla 3.17 Pérdidas del generador síncrono por el método del motor de arrastre 78 Tabla 3.18 Valores de corriente de cortocircuito y de excitación 83 Tabla 3.19 Valores de corriente de cortocircuito, de excitación y tensión de armadura para determinar la
impedancia síncrona
87
Tabla 3.19 (CONTINUACIÓN) Valores de corriente de cortocircuito, de excitación y tensión de armadura para determinar la impedancia síncrona
88
Tabla 3.20 Valores de tensión y corriente solo con carga inductiva 94 Tabla 3.21 Valores de tensión y corriente para las características externas con distintos tipos de cargas 95 Tabla 3.21 (CONTINUACIÓN) Valores de tensión y corriente para las características externas con distintos
tipos de cargas
96
Tabla 3.22 Valores de tensión y corriente para las características de regulación con distintos tipos de cargas 102 Tabla 3.23 Valores de corriente de excitación y tensión de carga para la curva de F.p. = 0 110 Tabla 3.24 Valores iniciales para comprobar la sincronización del generador con la red eléctrica 122 Tabla 3.25 Valores para comprobar el intercambio de potencia activa entre el generador y la red eléctrica 122 Tabla 3.26 Valores del intercambio de potencia activa entre el generador y la red eléctrica aumentando la
velocidad del motor de arrastre
122
Tabla 3.27 Valores del intercambio de potencia activa entre el generador y la red eléctrica reduciendo la excitación del motor de arrastre
123
Tabla 3.28 Valores del nuevo intercambio de potencia activa entre el generador y la red eléctrica 123 Tabla 3.29 Valores del intercambio de potencia reactiva entre el generador y la red eléctrica disminuyendo
la corriente de excitación del módulo DL30190
124
Tabla 3.30 Valores del intercambio de potencia reactiva entre el generador y la red eléctrica aumentando la corriente de excitación
125
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ix
CAPÍTULO 4
Tabla 4.1 Valor de la resistencia de armadura utilizando el módulo DL30200RHD 135 Tabla 4.2 Valor de la resistencia de campo utilizando el módulo DL30200RHD 136 Tabla 4.3 Valor de la resistencia de campo y armadura sin el módulo DL30200RHD 136 Tabla 4.4 Potencias en watts de las características externas del módulo DL30190 154 Tabla 4.5 Potencias en watts de las características de regulación del módulo DL30190 160 Tabla 4.6 Valores de potencia y corriente del estado inicial del paralelo antes el intercambio de potencias 170 Tabla 4.7 Valores de potencia y corriente para el intercambio de potencia activa entre el módulo DL30190 y
la red eléctrica
170
Tabla 4.8 Valores de potencia y corriente reduciendo la excitación del motor de arrastre 171 Tabla 4.9 Valores de potencia y corriente del nuevo intercambio de potencia entre la red y el módulo
DL30190
171
Tabla 4.10 Valores de potencia y corriente para verificar el intercambio de potencias entre la red y el módulo DL30190 reduciendo la corriente de excitación del generador
172
Tabla 4.11 Valores de potencia y corriente para verificar el intercambio de potencias entre la red y el módulo DL30190 aumentando la corriente de excitación del generador
173
APÉNDICE A
Tabla A.1 Resultados de las pruebas de vacío y cortocircuito 186
Tabla A.2 Datos de placa de la máquina síncrona 188
Tabla A.3 Resultados de la prueba de vacío 188
Tabla A.4 Resultados de la prueba de cortocircuito 188
Tabla A.5 Datos de placa del generador síncrono 190
Tabla A.6 Resultado de la prueba de vacío 190
Tabla A.7 Datos de placa de la máquina 191
Tabla A.8 Resultados de la prueba de vacío 191
Tabla A.9 Resultados de la prueba de cortocircuito 192
APÉNDICE C
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ESTRUCTURA DEL PROYECTO TERMINAL
CAPÍTULO 1. En este capítulo se exponen las razones y se justifica el porqué de la
realización de este trabajo, el impacto que puede causar en un futuro, así como una
introducción acerca de cómo influye esta máquina rotatoria en nuestra vida diaria.
CAPÍTULO 2. En este capítulo se hace referencia sobre la parte teórica del Generador
Síncrono Trifásico, las partes que lo componen, su principio de funcionamiento,
características, circuito equivalente, etc., que nos servirán para entender la operación de
esta máquina rotatoria.
CAPÍTULO 3. En este capítulo Pruebas para la Puesta en Servicio del módulo DL30190, se
dará la información técnica sobre cada uno de los módulos que se usaran en este trabajo,
una introducción teórica de cada una de las pruebas y parámetros que se deben obtener
con las mismas, esperando que con los resultados obtenidos queden bien aterrizados
todos los conceptos que involucran al generador síncrono, así como también el
funcionamiento del equipo de prueba que se usa para la realización de las mismas.
CAPÍTULO 4. Análisis del resultado de las pruebas realizadas al módulo DL30190. En este
capítulo se hará un análisis sobre los resultados obtenidos de las pruebas realizadas al
módulo DL30190, para tener un estudio de la máquina más preciso y conocer a través de
estos la manera de atender las fallas que en un momento dado pueda tener una máquina
de este tipo. También en base a estos resultados analizar qué tan exactos son los equipos
PUESTA EN SERVICIO DEL MODELO DL30190 PARA GENERADORES SÍNCRONOS TRIFÁSICOS
CAPÍTULO 1. CONCEPTOS GENERALES
1.1 INTRODUCCIÓN
El generador síncrono trifásico es una máquina rotatoria de gran importancia que forma
parte del Sistema Eléctrico de Potencia al igual que los motores y transformadores, esta
máquina también conocida como Alternador se encarga de transformar la energía
mecánica en energía eléctrica mediante la generación de una o varias corrientes alternas.
Debido a la actuación de esta máquina en el Sistema Eléctrico de Potencia es importante
el estudio de su comportamiento y de todo lo que puede aportar al mismo ya que sin esta
máquina rotatoria toda la energía generada por centrales hidroeléctricas, eólicas,
carboeléctricas, mareomotrices, etc. no podría ser convertida en energía eléctrica, la
energía que empresas, escuelas, casas-habitación, etc. a diario consumimos.
Al ser una máquina de gran tamaño, las pruebas que se le realizan son demasiadas,
justificadas en el hecho de que, si esta máquina falla todo el proceso de generación
quedaría suspendido a no ser que se sepa con precisión qué tipo de falla es y donde está
localizada, es por eso que aunque son muchas evaluaciones las que deben realizarse, estas
son para saber atender alguna falla cuando se presente.
En la etapa de educación superior de Ingeniería Eléctrica se nos da la oportunidad de
estudiar y conocer al Generador Síncrono Trifásico, pero en un solo semestre no se
pueden realizar todas las pruebas que se le pueden hacer al Alternador ni conocer todas
sus características; por limitaciones de tiempo.
Aunado a esto, es importante mencionar la innovación tecnología que cada día nos exige
estar a la vanguardia en cuestión no solo de estudio, sino también en nuestra etapa
PUESTA EN SERVICIO DEL MODELO DL30190 PARA GENERADORES SÍNCRONOS TRIFÁSICOS
Esta tecnología ha creado equipo como el módulo DL30190 y demás equipo que más
adelante se detallará y que, es importante mencionar tiene un tamaño más compacto que
el de un alternador normal, con los cuales podremos realizar todas estas pruebas, dar
resultados, analizarlos y compararlos con las pruebas realizadas no solo en el Laboratorio
de Conversión de la Energía II, sino también con otros Laboratorios, y de esa forma
conocer más a fondo el comportamiento y las características del Generador Síncrono
Trifásico completando así el conocimiento adquirido en el curso de Conversión de la
Energía II.
1.2 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Al igual que cualquier otra máquina rotatoria el generador síncrono trifásico puede ser
estudiado a través de la elaboración de diversas pruebas, que dan como resultado un
óptimo funcionamiento y la correcta aplicación del mismo. Sin embargo, a veces el equipo
utilizado para hacer dichas pruebas es insuficiente, además de esto la tecnología cada vez
nos alcanza más y se requiere de una actualización continua.
Como ejemplo de esto, la currícula de la asignatura donde se estudia esta máquina se
realiza en un solo semestre y hay imprevistos, como el no contar con los generadores
suficientes y habilitados con su equipo anexo de pruebas, lo que provoca que el estudio
de esta máquina quede inconcluso. Actualmente se han desarrollado módulos como el
DL30190, que está diseñado para hacer todas las pruebas posibles al generador de forma
más práctica y eficaz.
1.3 OBJETIVO GENERAL
Analizar los procedimientos de las pruebas que nos permitirán complementar y aprender,
el estudio y comportamiento de los generadores síncronos trifásicos, empleando el
PUESTA EN SERVICIO DEL MODELO DL30190 PARA GENERADORES SÍNCRONOS TRIFÁSICOS
1.3.1 OBJETIVOS PARTICULARES
Analizar diversos métodos para conocer más a fondo el comportamiento del
generador síncrono trifásico ya sea como alternador o motor y su
comportamiento en la red eléctrica.
Realizar las pruebas propuestas a Generadores Síncronos Trifásicos empleando el
módulo DL30190 para complementar el estudio y análisis de esta máquina
rotatoria.
Comparar los resultados obtenidos con pruebas publicadas por especialistas.
1.4 JUSTIFICACIÓN
Realizar un comparativo de todo lo que ofrece este nuevo equipo en cuanto a práctica y
teoría, con lo se imparte en el curso normal de Conversión de la Energía II, ya que en este
curso es donde se estudian los generadores síncronos trifásicos, y así, a través de este
trabajo se espera mejorar y complementar mucho más el estudio de la máquina rotatoria
antes mencionada.
Para lograr esto se cuenta con los nuevos módulos de prueba como el DL30190, con los
que se pueden realizar estudios y análisis más completos de todos los parámetros
existentes en los generadores síncronos trifásicos, así como determinar sus curvas de
operación y su comportamiento en la red eléctrica.
1.5 ALCANCE
Comparar y proponer las pruebas propuestas por el fabricante basadas en el módulo
DL30190 de generadores síncronos trifásicos para complementar los conocimientos ya
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1.6 CONCEPTOS GENERALES
A continuación se describirán algunos conceptos generales que servirán para comprender
la parte teórica de este trabajo sobre el generador síncrono trifásico:
Generador síncrono: Su función es convertir la energía mecánica en eléctrica a partir de
otras fuentes primarias para generar la electricidad que todos nosotros ocupamos en
nuestra vida diaria, pero no solo eso, sino que también se utiliza acoplándolo en paralelo
a la red eléctrica, esto es con la finalidad de que si un generador síncrono falla, en el
momento que está operando haya uno de au ilio para evitar ue el servicio se
suspenda, este generador au iliar tra ajará en lugar del que este fallando mientras se le da mantenimiento correctivo al principal, para que una vez arreglado el problema
vuelva a retomar su función de forma normal.
Motor síncrono: Este convierte la energía eléctrica en energía mecánica, estos motores se
utilizan en grandes fábricas donde sus procesos industriales requieren de velocidades de
transmisión constantes, además de que estos motores a diferencia de los asíncronos
tienen la propiedad de modificar el factor de potencia, suministrando potencia mecánica
y operar como condensador síncrono [1].
Condensador síncrono: Los condensadores se utilizan para regular el factor de potencia,
esto es para evitar que existan pérdidas debidas a que las cargas o el sistema en general,
no está trabajando como es debido, para que se diga que está trabajando se debe
aumentar la capacidad de conducción de corriente de la red y mejorar la potencia activa
del sistema eléctrico [1].
F.E.M.: Se denomina fuerza electromotriz (F.E.M.) a la energía proveniente de cualquier
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existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro
positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a
través de un circuito cerrado [2].
F.M.M.: La Fuerza Magnetómotriz es la capacidad que posee la bobina de generar líneas
de fuerza en un circuito magnético. La fuerza magnetomotriz aumenta con la intensidad
de la corriente que fluye por la bobina y con el número de espiras de la misma [3].
C.C. (CORRIENTE CONTINUA): Es el flujo continuo de electrones a través de un conductor
entre dos puntos de distinto potencial, es decir sus cargas eléctricas o electrones fluyen
siempre en el mismo sentido en un circuito eléctrico cerrado [4].
C.A. (CORRIENTE ALTERNA): Es la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección
varían cíclicamente, a diferencia de la corriente continua, la alterna cambia
constantemente de polaridad efectuada por cada ciclo de tiempo, esto es que durante un
instante de tiempo un polo es negativo y el otro positivo mientras que en el instante
siguiente cambian de polaridad [4].
r.p.m.: Una revolución por minuto es una unidad de frecuencia que se usa también para
expresar velocidad angular. En este contexto, se indica el número de rotaciones
completadas cada minuto por un cuerpo que gira alrededor de un eje [2].
1.7 ESTADO DEL ARTE
En 1994 entre mayo y junio Sakutaro Nonaka, Kesamaru Katsumi, y Kazuo Horita
analizaron el campo magnético de un Generador Síncrono Trifásico de 4 polos sin
escobillas a través del método directo de Elementos Finitos en la que los valores de
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El 18 de Agosto del 2001 Zhou Ji, Liu Xiaofang, Cui Xiang; Hai Bao, Meng Liang, Zhao
Lingzhi y Luo Yingli; realizaron un estudio para calcular de forma exacta los
comportamientos de operación de un Generador Síncrono tomando en cuenta las curvas
de saturación en las que el coeficiente y el ángulo de potencia sirven como parámetros,
aunque el estudio se enfoca más a un Turbogenerador de 300MW [6].
M. Karrari y O.P. Malik publicaron la investigación de oscilaciones de baja frecuencia y el
diseño de estabilizadores de energía en el sistema para obtener los parámetros de los
generadores síncronos a través de mediciones en línea, dependiendo de las condiciones
de operación, desarrollando un modelo de tabla de búsqueda en la que según sean las
condiciones de operación se ajuste al modelo del generador síncrono utilizando el Método
de Heffron-Phillips el 13 de Febrero del 2006 [7].
El 10 de Abril del 2007 Xiaoping Tu, Louis-A. Dessaint, Nicolas Fallati y Bruno De Kelper
publicaron un artículo que habla de un modelo de simulación que toma en cuenta todos
los armónicos del espacio enfocado a generadores síncronos de gran potencia para
investigar los distintos tipos de corrientes que se crean en los devanados conectados en
paralelo en el caso de fallas internas. Así como también de realizar los cálculos de las
inductancias de la máquina de una forma más sencilla [8].
En ese mismo año, pero el 24 de Septiembre Ahmed M. El-Serafi, Life Fellow, y Narayan C.
Kar, expusieron los modelos utilizados por las máquinas síncronas de polos salientes para
el análisis de las características de saturación de la maquina a través de dos ejes, el eje
directo, y cuadratura del eje, así mismo se mencionan otros 4 métodos aparte para
conocer el eje de saturación de las máquinas de polos salientes [9].
Erdal Bekiroglu y Alper Bayrak, realizaron un estudio publicado en el año 2009 en el cual
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del desarrollo de una unidad de control. Con esta unidad todas las mediciones que se
realizan como tensiones, frecuencias, secuencias de fase, etc. son transferidas a un micro
controlador, estos datos son monitoreados y evaluados por el algoritmo de control
codificado en el microcontrolador.Sugieren además de que con este sistema se puede dar
un seguimiento más seguro y eficaz de las mediciones realizadas al generador síncrono así
como a su operación [10].
Yamazaki, K.; Tamiya, S.; Shima, K.; Fukami, T. realizaron un estudio el 17 de Septiembre
del 2011, en el que investigaron las características y ventajas del campo de cuerda en
máquinas síncronas asistidos por pequeños imanes permanentes, los cuales no se utilizan
para el campo de excitación, sino para reducir la saturación magnética en los polos del
rotor [11].
El libro de Máquinas Eléctricas de Jesús Fraile Mora aborda el tema de generadores
síncronos trifásicos, fue editado en el año 2008 esta fue la sexta edición [1].
El libro Electric Machines Theory, Operation, Applications, Adjustment and Control de
Charles I. Hubert también aborda el tema de generadores síncronos, este fue editado en
Estados Unidos en 1991 [12].
La consulta más importante se hará a los manuales DL30190 del generador síncrono
trifásico, y para los módulos DL30250, DL30018, DL2031M, DL2025DT, DL30061,
DL30040L, DL30040C, DL30040R, ,DL30200RHD, DL30205, DL1030 y el DL2109T27, los
cuales ayudaran a la realización de las pruebas, sus características se mencionarán en el
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CAPÍTULO 2. GENERADOR SÍNCRONO TRIFÁSICO
2.1 INTRODUCCIÓN
El Generador Síncrono Trifásico es una máquina rotatoria de Corriente Alterna que igual
opera como generador que como motor a una velocidad síncrona; esta velocidad síncrona
es la velocidad a la que gira el campo magnético que es creado por las bobinas del mismo
campo, sin olvidar que también puede operar como condensador síncrono.
Los ge e ado es sí o os so la p i ipal fue te de pote ia elé t i a del u do,
convirtiendo energía mecánica en energía eléctrica desde una fracción de 1 kVA hasta los
1500 MVA.
En la generación eléctrica a pequeña escala se emplean alternadores acoplados a motores
de combustión interna, que se utilizan en equipos de emergencia en hospitales,
aeropuertos, salas de ordenadores, centrales telefónicas, entre otros, y que entran en
servicio en el momento ue falta la te sió de la ed [13].
Pero aún con todas las aplicaciones que esta máquina rotatoria tiene en el campo
eléctrico su empleo más frecuente es como Generador, que como ya se mencionó se usa
para producir grandes volúmenes de energía eléctrica en todas las Centrales Eléctricas de
Generación a partir de fuentes primarias de energía como la hidráulica, térmica o nuclear.
Como toda máquina rotativa consta de una parte fija y una móvil, estas son el estator y el
rotor respectivamente, ambas partes forman el circuito magnético de la máquina. A su
vez el estator aloja en sus ranuras el devanado del inducido y el rotor tiene el devanado
del inductor alimentado por C.C. Estos devanados forman los circuitos eléctricos de la
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2.1.1 ASPECTOS CONSTRUCTIVOS
El generador síncrono trifásico está compuesto de dos partes principales que son el
estator y el rotor, además de la excitatriz que es la componente requerida para energizar
el campo del generador, aunque la clasificación de las partes principales de una máquina
como el generador síncrono es corta, esta a su vez está compuesta de más partes que la
hacen funcionar de la manera en que se requiere. Estas componentes se muestran en la
Figura 2.1:
Figura 2.1 Partes principales de un generador síncrono trifásico
2.1.1.1 ESTATOR
El estator es la parte donde se alojan todos los elementos que no están en movimiento lo
que forma la parte magnética de la máquina como son:
Carcasa
Tapas
Yugo de la armadura
Ranuras
Devanado de armadura (inducido)
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Está fo ado po la i a io es delgadas de a e o al silicio sumamente permeable a fin
de reducir las pérdidas en el núcleo. Las laminaciones se mantienen juntas por medio del
bastidor del estator. El bastidor, que puede ser de hierro fundido o fabricarse con placas
soldadas de acero suave, no se diseña para conducir flujo, sino para dar apoyo mecánico
al ge e ado sí o o 3].
El interior del estator tiene una variedad de ranuras cuyo objetivo es alojar los gruesos
conductores de la armadura (devanados). Los conductores de la armadura se encuentran
simétricamente dispuestos para formar un devanado polifásico equilibrado, para ello el
número de ranuras por polo y por fase debe ser un número entero. La F.E.M. inducida por
fase en generadores síncronos de gran tamaño es del orden de kV con capacidad de
generación que se mide en MVA [13].
En la Figura 2.2 se muestra el estator de un generador trifásico de 500 MVA, cuyo
diámetro interno es de 9.25m y su longitud axial efectiva de las laminaciones de hierro es
de 2.35 m, finalmente cuenta con 378 ranuras [13].
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2.1.1.2 ROTOR
El rotor es la parte donde se encuentran los elementos que están en movimiento, estos
elementos forman la parte eléctrica de la máquina como:
Flecha
Núcleo del rotor
Piezas polares (electroimanes)
Ventilación
Muñón
Está fabricado de material ferromagnético laminado y está montado sobre una flecha que
le permite rotar libremente. Para máquinas grandes con una potencia que oscila entre los
1000 – 1500 MVA el rotor del generador síncrono se construye de dos formas, por no decir que las únicas estas son, el rotor de polos salientes y el rotor de polos lisos; estos
dos tipos de rotores se muestran en la Figura 2.3 [14]:
Figura 2.3 Tipos de construcción de rotor de máquina síncrona: A) Polos salientes, B) Polos lisos
El rotor de polos salientes por lo general se utiliza en centrales hidráulicas con
generadores de baja velocidad y con un número de polos mayor a cuatro; los polos se
construyen con laminaciones de acero al silicio de 0.35 mm de espesor rodeados con la
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El rotor de polos lisos es más utilizado en centrales térmicas o nucleares con generadores
de alta velocidad, con número de polos menor a cuatro. El material con que se
construyen es acero al silicio laminado de diferentes espesores.
Como se observa el generador síncrono trifásico no utiliza el mismo rotor para trabajar ya
que depende en gran medida del servicio que va a dar y en donde se va a ocupar, de esta
forma se pueden dividir en tres tipos de generadores:
Turbogeneradores
Hidrogeneradores
Generadores diesel (Generadores acoplados a motores diesel)
Los tu oge e ado es so ovidos po tu i as de vapo , su oto es ilí d i o,
generalmente de dos polos, con una velocidad síncrona de 3000 r.p.m. a 50 Hz y sus
unidades abarca pote ias de hasta MVA , CFE por ejemplo, utiliza 2 turbogeneradores en centrales como Agua Prieta II, de Ciclo Combinado con campo solar
que tendrá una capacidad aproximada de 405 MW o como en la central de Cogeneración
Salamanca donde usara 3 turbogeneradores y tendrá una capacidad aproximada de 430
MW y 800 ton/ hora de vapor [1 y 15].
Los Hidrogeneradores se mueven a través de turbinas hidráulicas cuyas características
dependen del tipo de salto y velocidad de giro, por lo regular usan tres tipos de turbinas:
• Turbinas Pelton: entre 750 y 375 r.p.m. para saltos de gran altura con eje horizontal.
• Turbinas Francis: cerca de los 150 r.p.m. para saltos de media altura con disposición vertical de grupo.
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2.1.1.3 SISTEMA DE EXCITACIÓN (EXCITATRIZ)
La excitatriz corresponde a una fuente de Corriente Directa producida por un generador
de corriente continua (C.C.), cuya función principal es la de aumentar la rapidez de
respuesta del generador. Como se mencionó anteriormente, el devanado de campo de la
máquina síncrona se encuentra en el rotor, y es alimentado con C.C. y ya que el rotor se
encuentra en movimiento, se requiere de un arreglo especial para entregar potencia de
C.C. a sus devanados de campo. Existen dos formas comunes de suministrar esta
potencia:
Excitación propia: Cuando la excitatriz esta acoplada directa o indirectamente al eje del rotor.
Excitación separada: Cuando el alternador es excitado por un generador de C.C. que no está acoplado al mismo, como baterías, acumuladores, red de C.C., etc.
[16].
Esto en otras palabras no es más que el sistema de excitación de la máquina que sirve
para que la máquina genere esto se muestra en la Figura 2.4:
Figura 2.4 Sistema de excitación sin escobillas o electrónico
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La salida de C.A. de la excitatriz se convierte en C.C. por medio de rectificadores
montados en el eje, que alimentan directamente el rotor del alternador sin necesidad de
anillos ni escobillas ( e tifi ado es gi ato ios . ]
2.1.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
El generador síncrono trifásico al tener la capacidad de operar como motor, comparte
también el mismo principio de funcionamiento, el cual se anuncia a continuación:
Cuando el rotor se pone en movimiento, sus líneas de fuerza cortan a los conductores que
se encuentran en el estator que crea un campo magnético, esto genera una F.E.M. que
varía al igual que la densidad de flujo en el circuito magnético en forma de onda
sinusoidal. Esta onda que se genera es de la frecuencia y dependerá de la velocidad a la
que trabaje la máquina.
Cuando la corriente circula por la armadura se produce otro campo magnético conocido
como campo magnético de reacción de armadura. En el caso de esta máquina trifásica
adopta las mismas características del rotor estas son: girar en la misma dirección y
velocidad. Este efecto se puede apreciar en la Figura 2.5 [17]:
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Este campo creado se relaciona con el campo del rotor lo que da por resultado un par
electromagnético que comenzará a alinearlos. Este par es lo que produce la rotación del
generador cuando opera como motor.
Es importante mencionar que el generador síncrono trifásico puede funcionar en vacío y
con carga; de estas condiciones se hablará más a detalle en las pruebas donde se
mencionara de forma detallada cuales son las diferencias y características de su
funcionamiento en vacío y con carga [17].
2.1.2.1 LA GENERACIÓN SINUSOIDAL
Los grandes volúmenes de energía eléctrica son creados por medio de máquinas
rotatorias, el alternador es un generador de tensión del tipo alterno, el cual se basa en los
principios de la Ley de Faraday, y de la Ley de Lenz, ambos principios establecen que la
tensión generada (Fuerza Electromotriz Inducida F.E.M.) en una bobina es directamente
proporcional a la variación del flujo magnético en el tiempo.
En la Figura 2.6 se muestra un generador elemental, con una espira que rota a velocidad
constante dentro de un campo magnético uniforme, generado por dos polos magnéticos
permanentes (norte y sur) y la espira entrega una tensión al circuito eléctrico externo, a
través de un par de anillos colectores [18].
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En la Figura 2.7 se muestra el detalle de la espira que se mueve dentro del campo
magnético.
Figura 2.7 Detalle de la espira en el campo magnético
La Ley de Faraday nos enuncia que: La fuerza electromotriz inducida (F.E.M.) en las
terminales de la espira, es igual a la razón de cambio de flujo (φ) en el tiempo (t). En la ecuación 2.1 se observa esta relación [18]:
(2.1)
Para el caso que nos ocupa, la cantidad de flujo magnético que cruza el área contenida
(Ac) por la espira estará cambiando al girar, variando de cero a un máximo dado por sus
dimensiones, dependiendo del ángulo de rotación (θ), así queda la siguiente ecuación 2.2:
(2.2)
Dónde:
l = Largo de la espira (longitud activa).
D = Diámetro de giro de la espira.
Para una distribución de flujo uniforme (φ), el número de líneas por unidad de superficie normal a su dirección, es decir la inducción magnética (B), está dada por la ecuación 2.3:
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Dónde:
Φ = Flujo ag éti o W
B = Densidad de flujo magnético (To )
Ac = Área contenida (m2)
Despejando al flujo y sustituyendo en la ecuación 2.1:
(2.4)
Del ovi ie to ota io al, la velo idad a gula ω , es:
(2.5)
Sustituyendo (2.5) en (2.4), la F.E.M. o tensión inducida es:
(2.6)
Dado ue ω = πf, la F.E.M. o tensión inducida también se puede escribir:
(2.7)
Para N espiras y considerando la Ley de Lenz, que nos dice: El sentido de la corriente
inducida sería tal que su flujo se opone a la causa que lo produce; de tal manera que se
manifiesta con un signo negativo en la fuerza electromotriz inducida, como lo muestra la
ecuación 2.8 [18]:
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La F.E.M. dada por la ecuación 2.6; es un valor temporal cuyo valor eficaz se muestra en la
ecuación 2.9:
(2.9)
De lo anterior podemos concretar que estrictamente el flujo magnético y la tensión
generada por un sistema rotatorio, son estrictamente senoidal y cosenoidal, exhibido en
la Figura 2.8:
f
e
q, Grad
F, E
T
0 90 180 270 360
Figura 2.8 Sinusoides de flujo y F.E.M.
Teniendo en cuenta que para facilitar el manejo de los parámetros eléctricos en general,
se transforman a valores eficaces con objeto de tratarlos en el plano complejo como
fasores [18].
2.1.3 CIRCUITO EQUIVALENTE
Un circuito equivalente en general nos es de mucha ayuda para comprender mejor el
comportamiento de cualquier máquina, circuito o modelo eléctrico que queramos
entender. El diagrama fasorial nos ayuda a determinar gráficamente la relación de todos
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.
Para el caso del generador síncrono el circuito equivalente y el diagrama fasorial nos van
a uda a dete i a la ela ió e iste te e t e la F.E.M. la te sió de los dive sos
regímenes de funcionamiento de la máquina, estudiando al mismo tiempo la interacción
e t e las F.M.M’s de e ita ió de i du ido ue o du e a la F.M.M. resultante que
origina el flujo en el circuito magnético . El circuito equivalente de un generador síncrono se observa en la Figura 2.9 [1]:
Figura 2.9 Circuito equivalente de un generador síncrono trifásico
Para nuestro caso de estudio usaremos el circuito equivalente de un generador síncrono
de polos lisos que, como se ha mencionado la F.E.M. que se induce en el estator es a
causa del flujo magnético que se crea en el rotor, cuando este está en movimiento.
Es importante mencionar que sí la máquina no tiene carga, la tensión que se medirá en
las terminales de la máquina, es la F.E.M. inducida y se considera entonces que la
maquina está operando en vacío.
Algo que caracteriza este funcionamiento en vacío de la máquina es la Curva en vacío o
curva E0 = f (Ie); en esta curva se puede observar a la F.E.M. inducida que se mide en los
bornes de la máquina cuando la carga no está conectada en ella, esto en función de la
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Esta curva solo se puede determinar en forma experimental; (en el siguiente capítulo se
detallará más acerca de esta característica), pero en general lo que se hace es girar el
generador síncrono a su velocidad de sincronismo a través del primomotor, y
posteriormente ir cambiando de forma gradual la corriente de excitación desde cero
hasta el valor máximo, que sería la corriente de saturación y de éste valor máximo
retomarlo al valor cero.
La Figura 2.10 muestra la curva en vacío de tensión contra corriente del generador
síncrono:
Figura 2.10 Curva en vacio de un generador síncrono trifásico
A diferencia la operación en vacío donde no existe una carga conectada a la máquina, en
la operación con carga la tensión en sus terminales si se modifica debido a que hay carga,
esta puede ser resistiva, inductiva y/o capacitiva e influenciada por otros factores que se
describirán a continuación:
Reactancia de dispersión: Esta es producto del flujo de dispersión del estator que no
se relaciona con el flujo propio del rotor, el flujo de dispersión nos permite tener un
coeficiente de autoinducción Lσ, ue al i e e ta se po la pulsa ió de la o ie te ω ,
da lugar a este fenómeno que se crea en el estator mostrado en la ecuación 2.10 [1]:
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Reacción del inducido: La reactancia de dispersión nos da una tensión inductiva del
generador síncrono, esta tensión puede alcanzar valores del 10-15% de la tensión
inducida a plena carga y está dada por el efecto de la F.M.M. del inducido sobre la F.M.M.
del inductor haciendo que el flujo del entrehierro se vaya modificando.
Entonces, si conectamos el sistema trifásico del estator en un punto común, formando
una conexión estrella y se colocan distintos tipos de carga a través de las cuales circulara
una corriente que va relacionada al tipo de carga que se le conecte a la máquina, hará
que la corriente se desfase 120° ya sea en atraso o en adelanto.
Co esta o ie te se ea u a po ag éti o alte ativo e las t es fases ue, al
juntarse dará origen a la reacción de armadura que gira a velocidad de sincronismo; es
decir, a la misma velocidad y dirección que el rotor [1].
A continuación se analizarán los efectos con distintos tipos de carga en el estator del
generador síncrono:
Carga resistiva: Con este tipo de carga la corriente y la tensión en los bornes de la
máquina están en fase, es decir, no existe un desplazamiento entre ellos. Debido a esta
característica se crea un campo magnético en el estator, esto hace que los ejes
magnéticos del rotor y el estator formen un ángulo de 90°, provocando que la tensión de
los bornes sea distinta a la F.E.M. inducida ya que el campo en el entrehierro del
generador síncrono no solo se produce por el rotor, sino que además tiene como una de
sus componentes principales la reacción de armadura, a diferencia de su operación en
PUESTA EN SERVICIO DEL MODELO DL30190 PARA GENERADORES SÍNCRONOS TRIFÁSICOS
En la Figura 2.11 se muestra la posición de los campos magnéticos (parte izquierda de la
figura) y el movimiento de las corrientes con carga resistiva (parte derecha):
Figura 2.11 Posición de los campos magnéticos del rotor y de reacción de armadura para carga resistiva
En el diagrama fasorial de la Figura 2.12 se muestra de forma gráfica el comportamiento
de la reacción del inducido con carga resistiva, es decir, la tensión y la corriente están en
fase y su factor de potencia es igual a 1:
Figura 2.12 Diagrama fasorial para carga resistiva (F.p. unitario)
Dónde:
Φp= Flujo por polo del generador sin carga Īa = Corriente de fase
Ēa= Tensión en las terminales por fase Ea= Tensión generada
Φar= Flujo de armadura
Φe= Flujo efe tivo po polo Φe= Φp+ Φar)
Ēar= Reacción de armadura jīaXa= Caídas de te sió de Ēe
īaRa= Caídas de te sió de Ēr
a)Sentido de las fuerzas electromotrices incluidas en las bobinas del estator sin carga para la posición del rotor
indicada
b)Sentido de las corrientes en las bobinas del estator con carga óhmica pura, y posición del campo rotante de reacción
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Las variables en los diagramas fasoriales son las mismas en los tres tipos de cargas.
• Carga Inductiva: Se tiene el conocimiento que cuando una carga es inductiva el
desfasamiento que existe entre la corriente y la F.E.M. es de 90°, para este tipo de cargas
las corrientes se atrasan con respecto a las F.E.M’s 9 ° e se tido o t a io al gi o del rotor.
E esta situa ió las F.M.M’s del oto del estato se opo e , esto uie e de i este tipo
de carga crea una reacción des ag etiza te haciendo que la F.M.M. resultante se reduzca, esto se logra disminuyendo el flujo del entrehierro, lo que a su vez provoca que
la F.E.M. inducida también comience a reducirse [19].
En la Figura 2.13 se muestra la posición de los campos magnéticos (parte izquierda de la
figura) y el movimiento de las corrientes con carga inductiva (parte derecha):
Figura 2.13 Posición de los campos magnéticos del rotor y de reacción de armadura para carga inductiva
La forma gráfica del comportamiento de la reacción del inducido con cargas inductivas, es
cuando la te sió la o ie te está desfasadas su fa to de pote ia es igual a 9 ˚ -) esto quiere decir que está atrasado.
a)Sentido de las fuerzas electromotrices incluidas en las bobinas del estator sin carga para la posición del rotor
indicada
b)Sentido de las corrientes en las bobinas del estator con carga inductiva pura, y posición del campo rotante de reacción de
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Este comportamiento se muestra en el diagrama fasorial de la Figura 2.14:
Figura 2.14 Diagrama fasorial para carga inductiva (F.p. atrasado)
• Carga Capacitiva: Cuando una carga se dice que es capacitiva, al igual que en la carga
inductiva el desfase entre las corrientes y las F.E.M’s ta ié es de 90° solo que en este caso las corrientes se adelantan 90° con respecto a las F.E.M’s. E este aso las F.M.M’s del rotor y el estator se superponen, esto nos indica que una carga capacitiva causa un
efe to ag etiza te , este efe to a uda a la a ió de los campos de los polos [19].
En la Figura 2.15 se muestra la posición de los campos magnéticos (parte izquierda de la
figura) y el movimiento de las corrientes con carga capacitiva (parte derecha):
a)Sentido de las fuerzas electromotrices incluidas en las
bobinas del estator sin carga para la posición del rotor indicada
b)Sentido de las corrientes en las bobinas del estator con carga capacitiva pura, y posición del campo rotante de reacción de
armadura
PUESTA EN SERVICIO DEL MODELO DL30190 PARA GENERADORES SÍNCRONOS TRIFÁSICOS
En el diagrama fasorial de la Figura 2.16 se muestra de forma gráfica el comportamiento
de la reacción del inducido con cargas capacitivas, es decir, la tensión y la corriente están
desfasadas su fa to de pote ia es igual a 9 ˚ + , esto uie e de i ue esta
adelantado.
Figura 2.16 Diagrama fasorial para carga capacitiva (F.p. adelantado)
2.2 CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR SÍNCRONO TRIFÁSICO
La determinación de las características de un generador síncrono trifásico nos ayuda a
comprender como opera este tipo de máquina, así como determinar las curvas de
operación de la misma para tener datos más confiables de su funcionamiento. Además de
que con estos datos podremos saber en qué momento y como utilizarlos, que clase de
servicio va a suministrar, determinar fallas que comprometan el servicio que esta máquina
le brinda a todo sistema eléctrico; ya que sin importar de qué forma se opere las
características son las mismas, así como el mantenimiento, su manipulación, etc.
2.2.1 CARACTERÍSTICA DE CIRCUITO ABIERTO (EN VACÍO)
Como se ha mencionado anteriormente cuando un generador síncrono está operando en
vacío, la tensión que existe en ese momento es la misma que la tensión de entrada, esta
es la que existe en las terminales de la máquina, y la corriente en ese momento no existe,
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Esta característica del generador relaciona la tensión de los bornes de la máquina con la
corriente de excitación del rotor a velocidad síncrona sin que esta corriente roce las
bobinas del estator, que como consecuencia nos dice que esta tensión se relacione con la
F.E.M. inducida por el flujo magnético del rotor. El circuito de esta prueba se observa en la
Figura2.17:
Figura 2.17 Diagrama para realizar la prueba de circuito abierto
En esta prueba lo que se hace es impulsar al generador síncrono a su velocidad nominal y
al mismo tiempo el devanado de la armadura tiene que estar abierto. La corriente con la
que se va a alimentar este sistema es una fuente de C.C. que se tendrá que ir variando y
las lecturas de tensión que se den en el vóltmetro se irán registrando para crear un
reporte y crear su curva en vacío. En la Figura 2.18 se muestra la gráfica de tensión de
salida contra corriente de excitación:
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En esta curva podemos observar como en un inicio existe una relación de tipo lineal entre
la tensión y la corriente de excitación, después comienza a aparecer un codo que
manifiesta la saturación que posteriormente entra a una zona en la que al aumentar la
corriente excitación, la tensión no se incrementa permaneciendo constante [19].
2.2.2 CARACTERÍSTICA DE CIRCUITO CERRADO (EN CORTO CIRCUITO)
En esta característica se obtiene un resultado distinto a la característica en vacío de la
máquina, ya que en este caso la tensión en las terminales de la máquina es cero, debido a
que están se cortocircuitan, y se tendrá una gran influencia de las corrientes de excitación
y de la corriente del estator.
Los bornes de la máquina se ponen en corto circuito; al igual que en la prueba en vacío la
velocidad nominal debe ser constante y la corriente de excitación es la que se irá
variando, pero en este caso las lecturas que se tomaran son las de la corriente del estator
en cada fase no las de tensión por que están en corto circuito, posteriormente los valores
deben registrarse para un reporte en el que se darán los resultados de la corriente por
cada fase, en la Figura 2.19 se muestra esta prueba:
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Esta prueba nos ayuda a comprender la influencia de la corriente en el funcionamiento del
generador, es importante mencionar que la corriente de la armadura en cortocircuito no
debe exceder el doble de la corriente nominal que está especificada en los datos de placa
del generador. En la Figura 2.20 se muestra la curva de corto circuito de un generador
síncrono:
Figura 2.20 Curva de corto circuito de un generador síncrono trifásico
En esta curva se observa cómo es que las corrientes de corto circuito y de excitación están
relacionadas entre sí de forma lineal, esto debido a que la reacción de armadura es
desmagnetizante debida a una sola carga que como se dijo anteriormente es inductiva,
están atrasadas 9 ˚ e ela ió a la te sió .
Y como en este caso la tensión en los bornes de la máquina es cero, para saber la tensión
en cada fase se tendrá que obtener a través de la impedancia síncrona y la corriente de
cortocircuito que podemos conocer con esta prueba.
2.3. IMPEDANCIA SÍNCRONA
Esta impedancia a la que podremos reconocer como Zs es el resultado de la relación entre