Puesta en servicio del modelo DL30190 para generadores síncronos trifásicos

(1)

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

(2)

(3)

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

(4)

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.

(5)

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

(6)

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

(7)

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

(8)

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

(9)

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

(10)

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

(11)

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

(12)

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

(13)

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

(14)

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

(15)

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

(16)

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

(17)

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

(18)

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

(19)

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

(20)

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

(21)

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

(22)

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

(23)

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)

(24)

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].

(25)

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

(26)

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.

(27)

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

(28)

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]:

(29)

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].

(30)

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:

(31)

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]:

(32)

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

(33)

.

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

(34)

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]:

(35)

 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

(36)

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

(37)

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].

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

(38)

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].

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

(39)

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,

(40)

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:

(41)

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