Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica

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1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE 0502 Proyecto Eléctrico PRUEBAS EN MÁQUINAS SINCRÓNICAS CONFORME LA NORMATIVA IEC 34 Y LA IEEE STD. 115 Por: Rafael Takeshi Minero Akiya Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Julio del 2010

2 PRUEBAS EN MÁQUINAS SINCRÓNICAS CONFORME LA NORMATIVA IEC 34 Y LA IEEE STD. 115 Por: Rafael Takeshi Minero Akiya Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: Ing. Peter Zeledón Méndez Profesor Guía Ing. Rolando Sancho Chaves Profesor lector Ing. Moisés Salazar Parrales Profesor lector

3 DEDICATORIA A mi padre, quien deseó más que nunca verme graduado. Que aunque pasó a mejor vida, siempre confió en mí. Que gracias a su forma ordenada, disciplinada, respetuosa e inteligente que fue, trato de seguir ese modelo. En estos momentos cumplo una promesa y una meta. Seguirán retos más difíciles A mi madre, por estar a mi lado apoyándome en las buenas y en las malas. Por esperarme día y noche cuando me encontraba estudiando. A darme ánimo para seguir con los estudios por más difícil que llegaron a estar las cosas. A mi hermana, que a lo largo de la vida me seguirá dando consejos y voto de confianza para alcanzar la plenitud como persona, y ahora en esta nueva etapa como profesional. A mis amigos y compañeros, que a través de los años me dieron su apoyo y confianza para seguir adelante.

4 RECONOCIMIENTOS Al Ing. Peter Zeledón Méndez por facilitarme toda la información posible para la realización de este proyecto y darle forma como tal. Al Ing. Rolando Sancho Chaves y Ing. Moisés Salazar Parrales, por ser parte de este tribunal examinador y concluir de manera exitosa este trabajo. Al Ing. Adrián Jiménez Herrera al abrir las puertas de su empresa para la realización de la práctica profesional y tener un panorama real de la aplicación de la ingeniería fuera de las aulas. A los profesores que tuve a lo largo de esta carrera, de quienes aprendí no sólo lo teórico, sino cada consejo y anécdota en el campo laboral y personal.

5 ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS... viii ÍNDICE DE TABLAS... ix NOMENCLATURA... x RESUMEN... 1 CAPÍTULO 1: Introducción Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Metodología... 4 CAPÍTULO 2: Máquinas Síncronas Conceptos Básicos Generador Sincrónico Rotor del generador sincrónico Estator del generador sincrónico Velocidad de giro del generador sincrónico Voltaje inducido de un generador sincrónico Par y Potencia en un generador sincrónico Circuito equivalente del generador sincrónico Medición de los parámetros del Circuito Equivalente del Generador Sincrónico CAPÍTULO 3: Descripción de Pruebas Descripción de pruebas de rutina para máquinas sincrónicas AMG y AMZ Inspección visual Medición del entrehierro y comprobación del espaciamiento de los cojinetes Medida de la resistencia de aislamiento Medición de la resistencia de los devanados / IEC Verificación de los detectores de temperatura y resistencias de calefacción Secuencia de fases y sentido de rotación / IEC Desplazamiento axial sin bloqueo de cojinetes Prueba de cojinete/soporte (correr primero) Mediciones de la vibración / IEC Puntos en vacío / IEC Punto de cortocircuito/ IEC Pruebas de reguladores de voltaje instalados en generadores síncronos (AMG) Prueba de excitación de cubiculo de motores síncrono (AMZ) v

6 Prueba de exceso de velocidad / IEC Prueba de alto voltaje (ensayos dieléctricos) / IEC Medición de resistencia de aislamiento Referencias normativas Descripción de pruebas de tipo para máquinas sincrónicas AMG y AMZ Prueba de factor de potencia cero/ IEC Prueba de incremento de temperatura (Prueba de elevación de la temperatura) / IEC , IEEE General Métodos de prueba Prueba del circuito Procedimiento de ensayo Medición de los resultados Curva de vacío / IEC Curva de Cortocircuito / IEC Pérdidas y eficiencia / IEC Momento de inercia / IEC Descripción de las pruebas especiales Medición del Nivel de ruido/ ISO 1680, ISO Prueba súbita de corto circuito / IEC , IEEE Prueba de recuperación de Tensión / IEC , IEEE Medición de la tensión del eje Medida de forma de onda de tensión / IEC , IEEE Arranque del motor síncronico Cálculo de los resultados de las pruebas Prueba de encendido / apagado de carga Índice de polarización / IEEE Prueba de sobrecarga (prueba de sobrecorriente) / ABS, BV, CCS, DNV, GL, LRS, RINA General Métodos de prueba Procedimiento de ensayo Prueba de sobretensión Medición de la curva V Prueba bajo deslizamiento / IEC , IEEE Prueba de tensión aplicada (baja velocidad) Prueba sostenida de cortocircuito de línea a línea (X2 + R2) / IEC , IEEE Prueba sostenido línea a línea y neutro en cortocircuito (X0 y R0) / IEC , IEEE Medición de impedancia Prueba de rotor bloqueado para motor / IEC , IEEE Prueba de decaimiento de campo / IEC vi

7 CAPÍTULO 4: Condiciones de funcionamiento, criterios de aceptación y pruebas de laboratorio CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones BIBLIOGRAFÍA ANEXOS vii

8 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.2 Curva de Circuito Abierto tipica Figura 2.3 Curva de Cortocircuito tipica Figura 2.4 Circuito equivalente del generador en la Prueba de Cortocircuito Figura 3.1 Medición de la resistencia de aislamiento del bobinado del estator de una máquina sincrónica Figura 3.2 Medida de resistencia de los devanados Figura 3.3 Medición de circuito para el vacío / corto circuito de medición de punto de una máquina síncrona Figura. 3.4 Prueba de alta tensión para devanado del estator Figura. 3.5 Circuito de medición para la prueba de factor de potencia cero Figura. 3.6 Circuito de prueba para prueba de calor con sobreexcitación Figura. 3.7 Circuito de prueba back to back Figura. 3.8 Circuito de prueba de funcionamiento de calor Figura. 3.9 Prueba del circuito para la medición de la curva sin carga Figura Curva sin carga de una máquina sincrónica Figura Prueba del circuito para la medición de la curva de corto circuito Figura Curva de cortocircuito de una máquina sincrónica Figura.3.13 Prueba del circuito para la prueba súbita de cortocircuito Figura.3.14 Circuito de prueba para la prueba de recuperación de tensión Figura Determinación del par de arranque Figura Circuito de prueba para la carga de encendido / apagado Figura Prueba del circuito para la prueba de sobrecarga (con carga reactiva) Figura Prueba del circuito para la prueba de sobrecarga (en corto circuito) Figura Prueba del circuito para la prueba de sobretensión Figura Circuito de prueba para curva V Figura Curva V Figura Prueba del circuito para la prueba bajo deslizamiento Figura Prueba del circuito para la prueba bajo deslizamiento Figura Oscilograma típico de la prueba de tensión aplicada Figura Circuito de prueba para prueba sostenida de cortocircuito de línea a línea Figura Circuito de prueba para Prueba sostenida de línea a línea y neutro en cortocircuito Figura Medición de las impedancias de los devanados Figura Circuito de prueba para prueba rotor bloqueado Figura 4.1. Ajuste lineal de la curva característica de cortocircuito Figura 4.2 Características de cortocircuito y circuito abierto Figura 4.3 Resultados de la prueba de cortocircuito y circuito abierto de la ABB Figura 4.4 Valores típicos de reactancias, resistencias t constantes de tiempo para máquinas sincronas viii

9 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 4.1. Valores Máximos en condiciones de desequilibrio trifásico Tabla 4.2. Valores de tolerancia de acuerdo a los Resultados de las pruebas efectuadas Tabla 4.3. Resultados de las pruebas de circuito abierto, corto circuito y corriente directa Tabla 4.4. Valores obtenidos de las curvas características de circuito abierto y cortocircuito.94 Tabla 4.5 Resultados para la reactancia síncrona saturada ix

10 x NOMENCLATURA e voltaje inducido dt diferencial de tiempo dλ flujo magnético rpm revoluciones por minuto f e = frecuencia eléctrica η m = velocidad mecánica del campo magnético, rpm P= número de polos de la máquina E A = Tensión inducida, V K = constante que depende de la construcción de la máquina Φ = flujo magnético de la máquina, Wb/m2 ω = velocidad de giro de la máquina, rad/s P = potencia de salida, W Vφ = voltaje de fase del generador, V E A = voltaje de fase generado, V X S = reactancia sincrónica, Ω δ = ángulo de par de la máquina τ ind = par inducido, Nm V f = fuente de CC que alimenta el devanado de campo I F = corriente de campo R F = resistencia del devanado de campo L F = Inductancia del devanado de campo E A = tensión generada por cada fase X S = reactancia sincrónica x

11 xi R A = resistencia de armadura I A = corriente de armadura V φ = voltaje de fase U 1 voltaje de línea a línea U uv,vw,uw voltaje de fase (uv,vw,uw) I m corriente de excitación I u,v,w corriente de fase (u,v,w) AVR regulador automático de voltaje R uv,vw,uw resistencia en el devanado del estator (uv,vw,uw) P a = potencia de entrada de la máquina CC P Cua = pérdidas en el cobre de la máquina CC P B = pérdidas cepillo de la máquina CC P add = pérdidas de carga adicionales P 0DC = mide las pérdidas sin carga de la curva de calibración Motor de CC U a = Tensión de inducido del motor de CC I a = Corriente de armadura del motor de CC R a = Valor de la resistencia en frío del motor de CC xi

12 1 RESUMEN Este proyecto consiste en el análisis de las pruebas realizadas a máquinas sincrónicas por parte de la compañía ABB de acuerdo a la normativa de la IEEE Std-115 y de la IEC-34. Para dicho análisis se facilitaron los manuales de prueba empleados por parte de la compañía, asi como de los resultados de algunas de las pruebas realizadas. Primero se compararon las pruebas que venían referenciadas con alguna de las normas para conocer el objetivo de cada ensayo, así como las variables a medir y el equipo necesario para tomar los datos. Se utilizaron ambas normas ya que para algunos casos con diferentes pruebas se pueden obtener un dato en común. Ciertas pruebas se encontraban en otras normas fuera de alcance. Se realizó una búsqueda de los criterios de aceptación para cada una de las pruebas, de las cuales solo en ciertos casos se encuentra en alguna literatura especializada, como es el caso de los valores típicos del reactivo, resistencias y constantes de tiempo de las máquinas sincrónicas, para la mayoría de las pruebas no se cuenta con la información disponible. Para otras pruebas, debido a su simpleza no es necesario con algún parámetro estandarizado. Por último se buscó realizar una prueba adicional a las que se realiza en los laboratorios del curso de máquinas eléctricas de la escuela, sin embargo no se cuenta con un equipo de medición más detallado para lograr la captura de los datos.

13 CAPÍTULO 1: Introducción Las máquinas sincrónicas son de gran importancia en la generación de energía eléctrica en nuestro país, ya que producen una gran parte de la electricidad que se demanda. Los generadores los cuales serán instalados por primera vez, necesita de pruebas destinadas a conocer su estado antes de su puesta en marcha, es por ello que se requieren de normativas estandarizadas; sin embargo al ser normas estadounidenses y/o europeas es necesario estudiar con detalle el objetivo de cada prueba y si se ajusta a la realidad de nuestro país, especialmente las condiciones climáticas. También al ser equipos muy costosos, se requiere de un mantenimiento preventivo que prolongue su vida útil y más importante, conocer su estado; todo ello basado en los estándares internacionales, evitando así la salida en operación de unidades por falta de información oportuna de su estado. El proyecto nació por el interés de conocer y aplicar para nuestro caso las normas internacionales, tanto IEEE como IEC a las máquinas sincrónicas que instala el ICE, especialmente cuando estas se adquieren por primera vez; así como desarrollar un documento en el cual se describan y expliquen los procedimientos descritos en la normativa IEEE Std. 115 y la normativa IEC 34 para la realización de pruebas en máquinas sincrónicas. 2

14 1.1 Objetivos Objetivo general Analizar los procedimientos de pruebas en máquinas sincrónicas descritos en la normativa IEEE Std. 115 y la normativa IEC Objetivos específicos Estudiar la normativa IEC 34. Estudiar el estándar 115 de la IEEE. Desarrollar un documento en el cual se describan y expliquen los procedimientos descritos en la normativa IEEE Std. 115 y la normativa IEC 34 para la realización de pruebas en máquinas sincrónicas. Desarrollar un ejemplo de simulación utilizando el equipo de LABVOLT de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Costa Rica. Desarrollar un ejemplo práctico utilizando el equipo de laboratorio de máquinas eléctricas de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Costa Rica.

15 1.2 Metodología Este proyecto se basó en un análisis sobre los procedimientos de prueba en máquinas sincrónicas de acuerdo a las normativas de la IEE y la IEC. Para el análisis teórico se necesitó de una investigación completa de ambas normativas, así como la búsqueda de dichas pruebas por parte de otras compañías fabricantes de máquinas sincrónicas. También fue necesario repasar los conceptos básicos de funcionamiento de las máquinas sincrónicas. Para cada prueba se buscó el propósito de ésta, la norma en la cual se basa, los parámetros a medir y el equipo de medición necesario. Dentro de la parte experimental se buscó simular la prueba más real de acuerdo al equipo disponible del laboratorio de Maquinas Eléctricas. 4

16 5 CAPÍTULO 2: Máquinas Síncronas 2.1 Conceptos Básicos Para la determinación de los de los voltajes inducidos por medio de los campos magnéticos se utiliza la ecuación: dλ e = dt (2.1) Dado el movimiento mecánico, se producen cambios en la dispersión de flujo λ, provocando la conversión de energía electromecánica. En las máquinas de rotación, estos voltajes se obtienen de los devanados al ser girados de forma mecánica a través de un campo magnético, o por el contrario, al girar mecánicamente un campo magnético por un devanado o grupo de bobinas provocando que la reluctancia varíe con la rotación del rotor. De cualquiera de las dos formas hace que el acoplamiento del devanado cambie de forma cíclica generando un voltaje variante en el tiempo. En las máquinas de corriente alterna, como lo son las máquinas de inducción o sincrónicas, el devanado de armadura se localiza en el estator, la parte estacionaria del motor. En estas máquinas se incluye un devanado secundario que lleva corriente directa, para la producción del flujo principal de operación de la máquina, denominado devanado de excitación, localizado en el rotor. El funcionamiento como generador o como motor se puede explicar a continuación:

17 6 Para la operación como generador se hace girar el rotor mediante un primotor (ej. turbina hidráulica) el cual hace que el campo magnético creado por los conductores del rotor sea giratorio y por lo tanto induzca un sistema de voltajes trifásicos en los devanados de armadura (estator). Para su funcionamiento como motor se hace circular un sistema trifásico de corriente de igual magnitud y desfasados 120 por los devanados de armadura, creando un campo magnético giratorio, el cual interactúa con el campo magnético del devanado del rotor generando un par en el eje de la máquina. 2.2 Generador Sincrónico 1 Como se mencionó anteriormente, es una máquina sincrónica operando en modo generador, es decir, convirtiendo la energía mecánica en energía eléctrica Rotor del generador sincrónico Constructivamente, el rotor puede ser de polos salientes o polos lisos. Un polo saliente es un polo magnético que sobresale de la superficie del rotor, mientras que uno no saliente se construye a ras de la superficie del rotor. Los rotores lisos se usan en máquinas de alta velocidad, como en turbinas de gas y vapor de 1800 o 3600 rpm, y se emplean para dos a cuatro polos. Los rotores de polos salientes se usan para cuatro o más polos en máquinas de baja velocidad (1200, 900, 600 rpm) como en las turbinas hidráulicas.

18 7 Debido a que el rotor gira, se hace necesario suministrar la corriente continua al devanado de campo por medio de construcciones especiales, las dos formas más usadas son: fuente externa Por medio de anillos rozantes y escobillas, proveer la energía al rotor desde una Suministrar la corriente de campo, con una fuente especial (excitatriz sin escobillas) montadas sobre el eje del generador. El rotor debe construirse con laminaciones, esto con el objetivo de reducir las pérdidas por corrientes parásitas debido a que el rotor está sometido a campos magnéticos variables Estator del generador sincrónico El estator está formado por varias bobinas en cada fase, las cuales se distribuyen en ranuras ubicadas en la superficie interior del estator, Cada bobina es, casi siempre, una unidad independiente formada por un grupo de espiras aisladas entre sí. Cada espira a su vez está formada por un grupo de conductores o soleras también aisladas entre sí. Cada bobina se encuentra aislada del estator. El estator se construye con bobinas premoldeadas formando un devanado de dos capas distribuido con el objetivo de disminuir los armónicos del voltaje y corrientes suministrados. 1 Rojas Prado, Orlando Manual de Pruebas para Generadores Sincrónicos. Julio 1995

19 Velocidad de giro del generador sincrónico El sincronismo en un generador significa que no existe desplazamiento entre el campo magnético del rotor en relación con el campo del estator. La siguiente ecuación relaciona la frecuencia eléctrica y la velocidad mecánica del campo magnético: f e ηm P = 120 (2.2) Donde: f e = frecuencia eléctrica η m = velocidad mecánica del campo magnético, rpm P= número de polos de la máquina En un generador sincrónico, la velocidad del campo magnético es igual a la velocidad de giro del rotor Voltaje inducido de un generador sincrónico El voltaje inducido en una fase del devanado del estator se puede expresar mediante la siguiente ecuación simplificada: EA = kφω (2.3)

20 9 Donde: E A = Tensión inducida, V K = constante que depende de la construcción de la máquina Φ = flujo magnético de la máquina, Wb/m 2 ω = velocidad de giro de la máquina, rad/s Par y Potencia en un generador sincrónico No toda la potencia mecánica que le suministra al generador sale como potencia eléctrica. Esta diferencia se debe a pérdidas en el cobre, en el núcleo y pérdidas por fricción y ventilación. Si se desprecia la resistencia eléctrica de los devanados de la armadura R A, dado que la reactancia X S es mucho mayor que R A, se tiene la siguiente ecuación para evaluar la potencia que entrega el generador: P = V E senδ 3 φ A X S (2.4) Donde: P = potencia de salida, W Vφ = voltaje de fase del generador, V E A = voltaje de fase generado, V

21 10 X S = reactancia sincrónica, Ω δ = ángulo de par de la máquina (ángulo entre Vφ y EA) El par inducido en el generador sincrónico se puede expresar mediante la siguiente ecuación: τ ind = V E senδ 3 φ A ω X m S (2.5) Donde τ ind = par inducido, Nm ω = velocidad de giro, rad/s Circuito equivalente del generador sincrónico El voltaje generado internamente en la máquina E A, normalmente no es el mismo voltaje que se obtiene en los terminales del generador. Los siguientes factores son los que provocan la diferencia entre E A y Vφ: 1-Reacción de armadura 2-La inductancia propia de los devanados de la armadura 3-La resistencia de los devanados de armadura 4-El efecto de los polos salientes A partir de estos factores se obtendrá el circuito equivalente del generador sincrónico. Es muy importante aclarar que el efecto de los polos salientes no se tomará en cuenta, es decir, se asumirá que la máquina es de polos lisos. Con esta suposición se

22 11 obtendrá un modelo que no es exacto, pero los errores son relativamente pequeños, además se simplificará el análisis. El efecto de la reacción de armadura se puede explicar de la siguiente manera: el voltaje E A que se induce en el estator provoca una corriente de armadura, I A, cuando se conecta carga en los terminales de salida. Esta corriente induce un campo magnético en el estator que distorsiona el campo magnético original del rotor, originando un cambio en el voltaje de fase. Ahora, si se modela la reacción de armadura mediante una reactancia X ra, la reactancia correspondiente a la inductancia propia del estator por X A y la resistencia eléctrica de los devanados de armadura por R A, entonces la diferencia entre E A y Vφ se representa por la ecuación: V = E A jx RAI A jx AI φ A RAI A (2.6) Por lo general se combina la reactancia de reacción de armadura y la autoinductancia en una sola reactancia X S, llamada reactancia sincrónica: X S = X RA + X A (2.7) La expresión para Vφ, será entonces: V = E A jx S I φ A RAI A (2.8) Esta ecuación se puede reducir aún más:

23 12 V = E φ A ZS I A (2.9) Donde Z S = la impedancia sincrónica (R A + jx S ) Por último, el modelo del generador sincrónico se muestra en la fig 2.1 Figura 2.1 Modelo del Generador Sincrónico V f = fuente de CC que alimenta el devanado de campo I F = corriente de campo R F = resistencia del devanado de campo L F = Inductancia del devanado de campo

24 13 E A = tensión generada por cada fase X S = reactancia sincrónica R A = resistencia de armadura I A = corriente de armadura Vφ = voltaje de fase Medición de los parámetros del Circuito Equivalente del Generador Sincrónico Para modelar el generador sincrónico es necesario determinar tres magnitudes: la relación entre la corriente de campo y el voltaje generado, la reactancia sincrónica y la resistencia de armadura. El método que se utiliza es el siguiente, primero se construye la característica de magnetización (de vacío) del generador. Con esta curva es posible determinar el voltaje generado E A para cualquier corriente de excitación. La fig 2.2 muestra una característica de vacío típica.

25 14 Figura 2.2 Curva de Circuito Abierto típica Al principio esta curva es casi lineal, pero a medida que aumenta la corriente de excitación, llegará a un punto de saturación. La condición de saturación se presenta cuando se ha saturado el hierro, y por lo tanto su reluctancia ha aumentado grandemente. La parte lineal de la curva de magnetización se llama línea de entrehierro. El segundo paso consiste en construir la característica de cortocircuito. Con esta curva se puede obtener el valor de la corriente de armadura para una corriente de campo determinada. En la fig. 2.3 se presenta una curva de cortocircuito típica.

26 15 cortocircuito Figura 2.3 Curva de Cortocircuito típica En la fig 2.4 se muestra el circuito equivalente del generador durante la prueba de Figura 2.4 Circuito equivalente del generador en la Prueba de Cortocircuito De este circuito se obtiene que la magnitud de I A está dada por: I A = E A 2 2 ( RA + X S ) (2.10) Lo que significa que la impedancia interna de la máquina (Z S ) es:

27 16 E Z = R + X = ( ) 2 2 A S A S I A (2.11) Por lo tanto, si E A e I A son conocidos, puede calcularse la reactancia sincrónica del generador a partir de la ecuación: 2 2 ( ) X = Z R S S A (2.12) El método para obtener la reactancia sincrónica se puede resumir en los siguientes pasos: 1- obtener E A a partir de la curva de magnetización para una determinada corriente de excitación. 2- Determinar, para esa misma corriente de excitación, y a partir de la característica de cortocircuito la corriente de armadura correspondiente. 3- Calcular la reactancia sincrónica utilizando la ecuación 2.12 Este método es para máquinas de polos lisos, sin embargo, es una buena aproximación para el cálculo de la reactancia sincrónica de máquinas de polos salientes. Es importante saber que este método es bastante aceptable sólo para la parte recta de la curva de magnetización. En el punto de saturación el valor de EA calculado por medio de la curva de vacío para cierta corriente de campo, no es igual al valor de EA que generaría la misma corriente de campo en condiciones de cortocircuito.

28 17 CAPÍTULO 3: Descripción de Pruebas Los programas de prueba estándar se dividen en tres partes: las pruebas de rutina, pruebas de tipo y pruebas especiales. El programa de pruebas de rutina se hace para cada máquina. La prueba de tipo es realizado, además de las pruebas de rutina normalmente a una de las máquinas de una serie de máquinas similares o por una petición del cliente. Las pruebas especiales son necesarias si la máquina funcionará en condiciones especiales, por ejemplo aplicaciones marinas. El programa de pruebas especiales es especificado por el cliente. 3.1 Descripción de pruebas de rutina para máquinas sincrónicas AMG y AMZ Inspección visual Antes de cualquier prueba a realizar a la máquina, se verifican los siguientes puntos: - Número de serie correcto de la máquina se encuentra localizado en el marco (se refiere a máquinas completamente ensamblado) - Ventiladores y sopladores con sus escudos, otros escudos y otras cubiertas, cajas de conexión y auxiliares están correctamente ensamblados - Extensiones de eje y las ranuras no estén dañados - Cojinetes están llenos de grasa de la calidad correcta - La brushgear de una máquina provista de anillos está en buenas condiciones - Cepillo de puesta a tierra eventual está en buenas condiciones - Juntas de tuberías de refrigeración de agua y tuberías de aceite lubricante estén

29 18 impecables - Tipo y modelo del regulador de tensión (por AMG) están de acuerdo con las instrucciones de fabricación y la orden Medición del entrehierro y comprobación del espaciamiento de los cojinetes Los entrehierros de la máquina principal y la excitación se miden utilizando una jaula de espesores, cuando la máquina está ensamblada. El entrehierro de la máquina principal se mide desde 4 puntos diferentes y de ambos extremos del estator usando el mismo polo del rotor mismo en cada medición. El polo del rotor utilizado en la medición del entrehierro es marcado. Todos los valores medidos se registran en el documento final de montaje, la cantidad mínima y máxima de valores registrados se transfieren al informe de la prueba final. De la misma manera la holgura de los cojinetes se mide y registran Medida de la resistencia de aislamiento El propósito de la medición de la resistencia de aislamiento es para comprobar el estado de los aislamientos de las bobinas, terminales, brusher y otras partes conductoras contra el marco de la máquina. Aislamientos defectuosos y húmedos muestran un bajo valor de resistencia de aislamiento. La resistencia de aislamiento se mide antes de que cualquier cable esté conectado a la máquina. Cuando todas las pruebas se han realizado, las resistencias de aislamiento se medirán de nuevo para controlar la condición final.

30 19 Las resistencias de aislamiento de las bobinas se miden utilizando un probador Megger o instrumento similar. La prueba de tensión es de 1000 VCC, si no se especifica lo contrario (de acuerdo con la mayoría de las sociedades de clasificación la tensión de prueba para los devanados del estator de las máquinas tienen una tensión nominal del estator de 7200 V o más es de 5000 VCC). La conexión de prueba para un devanado trifásico se muestra en la fig La práctica normal es medir todas las fases en conjunto, porque en cualquier caso, el Megger mostrará el valor de aislamiento de menor resistencia. Figura 3.1 Medición de la resistencia de aislamiento del bobinado del estator de una máquina sincrónica En caso de una máquina sin escobillas, los aislamientos del devanado del rotor de la máquina principal y el devanado del rotor de la excitación se prueban en conjunto. Los diodos y tiristores del puente rectificador de diodos se ponen en cortocircuito durante la prueba. Eventuales anillos y brushgear se ponen a prueba junto con el devanado del rotor. Durante las pruebas, el marco de la máquina y los devanados que no están a prueba se ponen a tierra para evitar voltajes inducidos. Después de la prueba, los devanados que se

31 20 probaron se conectan a tierra para eliminar las cargas eléctricas. Las lecturas de las resistencias de aislamiento se toman después de un minuto de aplicado el voltaje. La resistencia de aislamiento de los calentadores es posible medirlos a 500 Vcc. Los detectores de temperatura son probados a 500 Vcc. Los aislamientos de rodamiento se ponen a prueba a 100 Vcc Medición de la resistencia de los devanados / IEC Las resistencias de los devanados se miden para averiguar: - Conexiones defectuosas y dimensiones incorrecta del conductor - Eventuales asimetrías de los devanados - Un valor exacto de la resistencia del devanado a temperatura ambiente y la temperatura correspondiente del devanado para la prueba de calor (véase los ensayos de tipo MDD ) Las resistencias de los bobinados se miden mediante un micro-óhmetro o el uso de dos medidores digitales y una fuente de corriente constante, ver fig Toda corriente de la fuente constante de corriente, debe fluir a través de las bobinas a realizar la prueba. Eventuales circuitos en paralelo se debe desconectar antes de las mediciones. La temperatura de las bobinas del estator se mide siempre.

32 21 Figura 3.2 Medida de resistencia de los devanados Las resistencias de los bobinados del estator se miden antes de conectar cualquier fuente u otros cables. Las lecturas de resistencia (o lecturas de voltaje y de corriente) se toman tan pronto se obtienen valores estables. Al mismo tiempo, la temperatura del devanado se mide utilizando los detectores de temperatura (Pt-100) incrustado en el bobinado. Si la máquina a prueba se ha llevado desde un lugar más frío o más cálido, la temperatura del devanado no puede ser medido utilizando detectores incrustados o un termómetro de superficie, la máquina debe permanecer en el banco de pruebas durante la noche. Después de ello, la temperatura de la carcasa de la máquina se toma como la temperatura del devanado.

33 22 La resistencia del devanado del rotor de una máquina con excitación de anillo rozante se mide entre los anillos. La corriente puede ser suministrado a través de as escobillas, pero el voltaje siempre se mide entre los anillos. En caso de una máquina sin escobillas, la resistencia del devanado del rotor se mide entre las conexiones finales. Desconectar el puente de diodos no es necesario debido a que la tensión es baja. Los valores medidos de la resistencia del devanado se calculan a la temperatura estándar de 20 C en acuerdo con la ecuación (X). R = R meas,20 meas, tmeas tmeas (3.1) Verificación de los detectores de temperatura y resistencias de calefacción Los detectores de temperatura son elementos de la resistencia lineal (Pt-100) o termistores. Ambos son verificados por medición de los valores de resistencia. Las mediciones se realizan con un bajo voltaje (menos de 2,5 V) por un instrumento digital. La resistencia medida y los valores de temperatura son registrados con las marcas en terminales correspondientes. Las resistencias de los calentadores de espacio son medidas y comparadas con los valores calculados mediante la ecuación (3.2). R heat U = P 2 heat heat (3.2)

34 Secuencia de fases y sentido de rotación / IEC El sentido de giro y las marcas correspondientes en terminales se comprueban sin carga durante la marcha de prueba axial, o sin carga. En cualquier caso, la dirección de rotación tiene que ser revisado antes de la prueba final de calor, porque el ventilador, posiblemente montado en el eje de la máquina, a menudo gira en una sola dirección. El sistema de enfriamiento de la máquina se ve perjudicado si la máquina gira en sentido inverso. La máquina a probar se inicia con la ayuda de un motor CC. La corriente de excitación se incrementa hasta que la tensión en bornes es lo suficientemente alta para que la secuencia de fases se puede observar mediante un instrumento especial (RST meter). La secuencia de fases también se puede comprobar mediante el trazado de los voltajes del estator al mismo gráfico y determinando la secuencia de fases de eso. Al mismo tiempo, el sentido de giro es revisado en la unidad final de la máquina síncrona Desplazamiento axial sin bloqueo de cojinetes Durante el montaje de las máquinas sincrónicas montados sobre cojinetes de manga, el rotor se coloca primero simétricamente en relación con el estator en dirección axial. Cuando la máquina está en marcha, las fuerzas magnéticas entre estator y el rotor, así como la fuerza mecánica causada por el ventilador posible montado en el eje puede cambiar la posición del rotor. Teniendo en cuenta los cojinetes de la máquina el rotor es capaz de

35 24 moverse, pero puede resultar en un mal funcionamiento de los rodamientos, del acoplamiento del eje del manejo de la máquina. Para ajustar el juego axial del rotor, un indicador de cuadrante está montado para medir la posición del rotor en relación con el estator inmediatamente después del montaje. La lectura del indicador se registra. Luego la máquina se opera sin carga con velocidad nominal y tensión nominal. Las lecturas del indicador se registran de nuevo. La diferencia de las dos lecturas es la corrección que debe hacerse. Después, el estator de la carcasa del cojinete (pedestales) será trasladado a conseguir la igualdad de distancias axiales en ambos lados de los rodamientos (o autorizaciones se indica en los dibujos) Prueba de cojinete/soporte (correr primero) La prueba de cojinete/soporte se realiza en todas las máquinas. La máquina síncrona está impulsada por un motor CC a velocidad nominal. Durante la prueba de rodamiento, el asiento correcto y el funcionamiento de los rodamientos son controlados. Posibles derrames de aceite se observan y se sellan. La temperatura se siente con la mano. El ruido y las vibraciones se toman en consideración. La duración de la prueba de es cinco a diez minutos o más si se considera necesario Mediciones de la vibración / IEC Las vibraciones se derivan de diversas razones, tales como: - Desequilibrio del rotor, que pueden ser de origen estática o dinámica - Arrastre magnético desigual entre el estator y el rotor, que puede ser causada

36 25 por ejemplo por un entrehierro asimétrico - Devanados asimétricos, defectuoso o dañados Las vibraciones del rotor se transferirán sobre el eje a los soportes que lleven o pedestales que sostienen. Grandes fuerzas de vibración y las estructuras de soporte elástico producirán grandes amplitudes. Las características de la vibración medidas en la superficie de la caja del cojinete dará una indicación sobre las fuerzas que se trate y sobre el grado de severidad de la fatiga. Basado en las experiencias sobre los diferentes tipos de máquinas, los límites de vibración se dan en las publicaciones pertinentes. La medición de las vibraciones se realiza en todas las máquinas. Las mediciones de las vibraciones son medidas cuando la máquina sincrónica se encuentra manejada por el motor CC a velocidad y voltaje nominal y sin carga. Las vibraciones se miden en los soportes o pedestales en dirección horizontal, vertical y axial Puntos en vacío / IEC El propósito del punto de medición sin carga es: - Verificar el correcto funcionamiento de la máquina cuando no se carga - Medir la cantidad de electricidad y otras cantidades asociados con la operación sin carga La máquina síncronica a probar es conducido por un motor CC, que es capaz de funcionar a la velocidad nominal, véase la fig 3.3. La excitación necesaria para producir tensión nominal del estator se suministra desde una fuente independiente. El regulador de voltaje del generador síncrono está desconectado.

37 26 Figura. 3.3 Medición de circuito para el vacío / corto circuito de medición de punto de una máquina síncrona Después de la puesta en marcha, la máquina a probar debe operar unos cinco minutos a la velocidad nominal y tensión en bornes nominal. El ruido, las vibraciones y las temperaturas se observan. Cuando la operación se haya restablecido, las siguientes cantidades se miden: - Valor medio de las tensiones terminales línea a línea U 1 - Cada tensión terminal línea a línea terminal U uv, U uw, U vw - Velocidad n - Corriente de excitación (I m ) de la excitatriz sin escobillas - Para las máquinas con excitación de anillo rozante, corriente rotor Ir - Temperatura del bobinado del estator (utilizando el incorporado Pt-100 detector de temperatura).

38 Punto de cortocircuito/ IEC El propósito de la prueba de cortocircuito es medir la corriente excitación correspondiente con la corriente nominal del estator, cuando las terminales están en cortocircuito en el circuito de prueba. La máquina sincrónica a probar es conducida por el mismo motor CC, que se utiliza para la prueba en vacío, ver fig 3.3. La excitación se extrae de una fuente independiente CC. El regulador de voltaje del generador sincrónico se desconecta. Cuando la máquina sincrónica está funcionando a velocidad nominal, la excitación está encendida y la corriente se aumentó lentamente hasta que la corriente del estator se iguale a la corriente nominal. Las corrientes de fase se comparan para comprobar la simetría. Las siguientes cantidades se miden: - Valor medio de las corrientes de fase I 1 - Cada corriente de fase I u, I v, I w - Velocidad n - Corriente de excitación I m de la excitatriz sin escobillas - Para las máquinas con excitación de anillo rozante, corriente rotor I r - Temperatura del bobinado del estator (utilizando el detector Pt-100 de temperatura)

39 Pruebas de reguladores de voltaje instalados en generadores síncronos (AMG) Los ensayos de reguladores de voltaje incluyen los siguientes puntos: - El cableado del regulador de tensión y dispositivos auxiliares, como transformadores de corriente, transformadores de potencia, circuito interruptor, resistencias y relés de derivación es inspeccionado - La configuración básica para el regulador automático de voltaje (AVR) son hechos a medida: - Voltaje sin carga del generador se establece en el valor nominal - Amplificación y las características dinámicas se ajustan para obtener un funcionamiento estable - La gama de reactivo kva (caída de voltaje) se establece en el valor correcto - El límite de frecuencias que se establece en el valor correcto - Limitadores de excitación se establecen en los valores propios - Se mide el ancho de pulso de tensión de excitación - El limitador de corriente de excitación (ECL) se establece en el valor correcto, si está equipado - La corriente de cortocircuito sostenido se prueba - La tensión de remanencia se mide Prueba de excitación de cubículo de motores síncrono (AMZ) Los ensayos de excitación cubículo incluye los siguientes puntos: - Inspección visual

40 29 - Ajuste del regulador de acuerdo con las especificaciones - Ajuste y prueba de funcionamiento de detectores de velocidad y relés - Ajuste de los relés de control de acuerdo a las instrucciones del departamento de ingeniería - Ajuste y pruebas de funcionamiento de los relés de tiempo - Control de medición - Prueba de excitación a partir de cubículo - Pruebas de control del factor de potencia - Pruebas de funcionamiento Prueba de exceso de velocidad / IEC Todos los generadores sincrónicos (y también algunos motores) están sujetos a la prueba de sobrevelocidad, porque en operaciones temporales pueden llegar a velocidades más altas que la nominal. La máquina sincrónica es conducida por un motor de CC, con terminales circuito abierto y sin excitación. La velocidad se incrementa 1,2 veces la velocidad nominal durante 2 minutos, si no se acuerde otra cosa Prueba de alto voltaje (ensayos dieléctricos) / IEC Las pruebas de alto voltaje se realizan para detectar posibles puntos débiles en los aislamientos de la máquina. Una tensión de prueba a una frecuencia de línea (50 Hz) se aplica. En algunos casos se utiliza voltaje de CC, entonces la tensión de prueba es de 1,7 veces la tensión CA. La duración de la prueba de alta tensión es de un minuto, si no se

41 30 acuerde otra cosa. El prueba de voltaje que se aplican, son al menos tan altas como las indicadas en la norma, para los valores exactos de ensayos, véase el programa de pruebas. El circuito de prueba de alto voltaje se muestra en la fig Figura. 3.4 Prueba de alta tensión para devanado del estator Las bobinas de la máquina y los circuitos son probados uno a la vez. Cuando los devanados de fase del estator son fácilmente desconectados entre sí, se les prueba uno por uno. Los devanados de fase que no está siendo examinado son aterrizados. Si no es posible desconectar el punto neutro para la prueba, la prueba de alta tensión se realiza para todo el estator del sistema a la vez. Medidas preliminares que deben realizarse antes de la prueba: -Detectores de temperatura en los devanados están en cortocircuito y puestos a tierra - El eje de la máquina está conectada a tierra para la prueba de los bobinados del rotor

42 31 - Los diodos y tiristores del puente rectificador está en cortocircuito con un cable de cobre desnudo y puesto a tierra - La prueba de alta tensión se inicia aplicando menos de la mitad de la tensión plena de la prueba - La tensión de prueba se incrementa paulatinamente a la totalidad del valor en un tiempo no inferior a 10 segundos - La tensión de prueba completo se mantiene durante un minuto - La tensión de prueba se redujo a cero sin problemas antes de apagar - Eventuales cargas eléctricas en los devanados restantes a la prueba son neutralizados por corto tiempo aterrizándolos Medición de resistencia de aislamiento Cuando todas las pruebas se han realizado, las resistencias de aislamiento se miden de nuevo para el control de la condición final. Para más detalles, véase el apartado Medida de la resistencia de aislamiento Referencias normativas A menos que se especifique lo contrario todas las pruebas se realizan según la norma IEC

43 Descripción de pruebas de tipo para máquinas sincrónicas AMG y AMZ Estas son las pruebas que se realizan en adición a las pruebas de rutina Prueba de factor de potencia cero/ IEC La corriente de excitación de una máquina sincrónica a la carga nominal y la tensión en los terminales puede ser directamente medibles sólo cuando estas condiciones de carga puede hacerse realidad. Cuando la carga es posible solo con la corriente reactiva, o cuando se ejecuta el calor se realizan sin carga y en cortocircuito, el valor nominal de la corriente de excitación se deriva de la prueba de factor de potencia cero (determinado de la reactancia Potier), y de la no-carga y cortocircuito características. La prueba de factor de potencia cero se realiza cuando la máquina está operando como motor con sobreexcitación, sin carga y a la tensión nominal. Los voltio-amperios reactivos deben ser suministrados a una carga reactiva apropiada (una máquina síncrona auxiliar), o a la línea de tres fases. El circuito de prueba se muestra en la fig. 3.5.

44 33 Figura. 3.5 Circuito de medición para la prueba de factor de potencia cero La máquina síncrona a probar se inicia con la ayuda del Motor de CC. La tensión en terminales se aumenta hasta el valor nominal y la máquina se sincroniza con la máquina auxiliar (carga reactiva), o a la línea. El motor CC de suministro se desconecta. La máquina a la cual se esta sometiendo a prueba está funcionando como motor sin carga. Las pérdidas están cubiertas por la máquina auxiliar o desde la línea de tres fases. La corriente de excitación se incrementa hasta que la corriente del estator iguale a la corriente nominal. El límite de la corriente de excitación es de 1,5 veces el valor nominal. Para mantener la tensión en terminales a su valor nominal, la corriente de excitación de la maquina auxiliar se reduce en proporción. Los parámetros a medir son los siguientes: - Valor medio de tensiones en los terminales de línea a línea U - Valor medio de las corrientes de fase I - Potencia real P

45 34 - Velocidad n - Corriente de rotor (I r ) y voltaje (U r ) - Corriente de excitación (I m ) y tensión (U m ) - Temperaturas correspondientes La prueba de factor de potencia cero se utiliza para la determinación de la corriente de excitación (corriente del rotor) a carga nominal, con fundamento en los diagrama ASA y de conformidad con la norma IEC De la misma manera, los valores de corriente de excitación se calculan en otras condiciones de carga. Los valores de la corriente de excitación se utilizan para cálculos de pérdida Prueba de incremento de temperatura (Prueba de elevación de la temperatura) / IEC , IEEE General El propósito de la prueba de calor es para medir el aumento de temperatura de las bobinas, rodamientos (cojinetes) y otros partes importantes de la máquina con carga conectada. Las condiciones de operación corresponden cuando se encuentra con carga nominal, tensión en terminales a voltaje nominal y otros parámetros. La prueba de elevación de temperatura se realiza por métodos indirectos. Las condiciones de ensayo como voltaje terminal, corriente terminal y velocidad deben permanecer estables durante la prueba. Para la ejecución de prueba de calor, varios termopares podría ser colocado en los puntos críticos en la máquina como se determina en la prueba, y conectado a un registrador gráfico o un grabador de exploración. Los detectores de temperatura esencial en los

46 35 bobinados, rodamientos, sistema de enfriamiento y otros lugares de la máquina están conectados a la misma grabadora. En el caso de las máquinas de anillos, el brushgear es inspeccionado y los brush pressure son controlados. Se comprueba que todas las cubiertas estén en su lugar y las puertas de mantenimiento están cerradas. Las corrientes de aire deben de prevenirse. Los filtros de aire deben ser colocados en su sitio. flujo de agua. El flujo de agua del radiador de la máquina se comprueba, así como la dirección del En el caso de máquinas equipadas con cojinetes y circulación de aceite lubricante, el flujo del aceite lubricante es controlado Métodos de prueba Primer método. La prueba de calor se realiza dejando que la máquina síncrona funcionando como un motor con sobreexcitación, a corriente nominal y frecuencia nominal. La corriente de carga se compone principalmente de reactivo. Esta prueba con la sobreexcitación y un factor de potencia cero, la corriente nominal producirá un aumento de la temperatura del devanado del estator, que es aprobada para el valor correcto, de acuerdo con las normas de ensayo. El circuito de prueba se muestra en la fig El motor CC se desconecta de la fuente de alimentación y es utilizado solamente para frenar.

47 36 Figura. 3.6 Circuito de prueba para prueba de calor con sobreexcitación Debido a la sobreexcitación, la tensión en terminales de la máquina tiene que disminuirse con respecto al valor nominal, para retener las condiciones magnéticas apropiadas (estator y rotor a corriente nominal). El voltaje es de aproximadamente 0,8 a 0,9 veces la tensión nominal o incluso menos cuando se prueban los motores. El segundo método para realizar la prueba de calor es de realizar distintas pruebas de aumento de temperatura en corto circuito, sin carga (y sin excitación), véase la IEEE 115. Los resultados se combinan para producir aumento de la temperatura en condiciones nominales. La prueba se realizara en las siguientes condiciones: - En cortocircuito a la corriente nominal del estator - Sin carga a la tensión nominal - Sin excitación (terminales abiertos)

48 37 El aumento de temperatura del bobinado del estator, con la carga nominal, se calcula como la suma de los aumentos de la temperatura en cortocircuito y el aumento de la temperatura sin carga restando el aumento de la temperatura de la prueba sin excitación. El aumento de la temperatura del bobinado de rotor suele calcularse sobre la base de la prueba de aumento de temperatura en cortocircuito. El tercer método para la prueba de calor es la prueba back-to-back. Dos máquinas similares son necesarias. Los ejes de las máquinas se acoplan entre sí y, además, los terminales del estator están conectadas a barras comunes. Uno de las máquinas funcionará como un generador, el otro como un motor. Las pérdidas están cubiertas por la energía mecánica suplida por una máquina CC acoplada al eje común, o por la energía eléctrica absorbida de la línea de suministro. A menudo, la máquina CC se coloca entre las máquinas a ensayar, ver fig. 3.7.

49 38 Figura. 3.7 Circuito de prueba back to back Los terminales del estator están conectados a las barras comunes respecto a los instrumentos de medición adecuados, y un interruptor automático. La secuencia de fases de las máquinas deben ser idénticas, en relación con el sentido de giro. Un acoplamiento ajustable especial se monta en la línea de eje, entre las máquinas síncronas. El ángulo entre los rotores es ajustado para corresponder a la carga que deben aplicarse en las máquinas. Una configuración preliminar de ángulo que se utilizará es de 30 a 50 grados eléctricos. Al comienzo de la prueba de calor, el ajuste final se hace para obtener la transferencia de potencia correcta.