1. El Generador de Inducción Trifásico

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1 Generador de Inducción Trifásico Curva Par-Velocidad y Operación Aislada Curso: Laboratorio de Máquinas Eléctricas I Sigla: IE-0416 Documento: ie0416.practica # doc Elaborado por: Ing. Mauricio Céspedes Moya Revisado por: Ing. Franklin Chinchilla, PhD. Ing. Gustavo Valverde Mora Ing. Oscar Núñez Mata Horas Lectivas 3 Fecha 09 ago. 07 Versión El Generador de Inducción Trifásico Es común pensar que la máquina de inducción puede funcionar únicamente como motor, sin embargo, posee la capacidad de trabajar tanto como motor como generador, sólo depende de una fuente externa para la excitación del campo y una velocidad de rotación superior a la sincrónica. Si el motor de inducción se está operando a una velocidad mayor que la sincrónica gracias a un motor de impulsión externo, tanto el deslizamiento como el par inducido se vuelven negativos tal y como se muestra en la Figura 1. Físicamente, un par negativo implica una potencia real generada producto de la inversión del par inducido. Conforme aumenta el par aplicado al eje de la máquina de inducción, se incrementa la cantidad de potencia generada, hasta un punto de par máximo de generador, luego del cual la máquina adquiere una velocidad excesiva Par inducido [N m] Región de motor Región de generador Velocidad mecánica [r.p.m.] Figura 1: Curva Par-Velocidad para una máquina de inducción trifásica de 230 V, cuatro polos, 60 Hz y 12 kw Escuela de Ingeniería Eléctrica. UCR 1 Departamento de Sistemas de Potencia

2 Como generador, una máquina de inducción posee serias limitaciones. Puesto que le falta un circuito de campo separado, un generador de inducción no puede producir potencia reactiva. De hecho, la consume y se le debe conectar una fuente externa de potencia reactiva en todo momento para mantener el campo magnético de su estator [1]. Esta fuente externa de potencia reactiva, tiene la función adicional de controlar el voltaje en las terminales del generador. Las grandes ventajas del generador de inducción son su simplicidad constructiva y su pequeño tamaño por kilowatt de potencia de salida [1]. Los generadores eólicos se favorecen de este hecho y comercialmente están diseñados para operar en paralelo con grandes sistemas de potencia, suministrando una fracción de las necesidades de potencia de la carga. En este tipo de operación, el sistema de potencia se encarga del control del voltaje y de la frecuencia, y se pueden utilizar bancos de condensadores para corregir el factor de potencia del parque eólico. 1.1 Generador de inducción aislado. Una máquina de inducción también puede funcionar como un generador aislado del sistema de potencia siempre y cuando se disponga de la compensación reactiva necesaria para suministrar la potencia reactiva requerida por el generador y por las cargas añadidas. La Figura 2 muestra un generador de inducción aislado. Figura 2: Generador de inducción aislado con un banco de capacitores para suministrar potencia reactiva. La corriente de magnetización I M que requiere una máquina de inducción en función del voltaje en sus terminales se puede encontrar si se opera la máquina como motor en vacío y se mide la corriente del inducido en función del voltaje en los terminales. En la Figura 3a se ilustra una curva de magnetización como ésta obtenida en el laboratorio para una de máquina de inducción con rotor de jaula de ardilla para 120 V LN, 4 polos y 175 W a 60 Hz. Para lograr cierto nivel de voltaje en un generador de inducción, los capacitores externos deben suministrar la corriente de magnetización que corresponde a ese nivel de tensión. Por otra parte, los capacitores disponibles en el laboratorio de máquinas eléctricas, como elementos lineales, poseen una característica de voltaje contra corriente que es una línea recta como se muestra en la Figura 3b para tres posibles valores de reactancia a 60 Hz Escuela de Ingeniería Eléctrica. UCR 2 Departamento de Sistemas de Potencia

3 Figura 3: Característica de voltaje contra corriente reactiva para: a) Un generador de inducción b) Tres Reactancias. Si se conecta un banco trifásico de condensadores a las terminales de un generador de inducción para operación aislada, el voltaje en vacío de éste será la intersección de la curva de magnetización del generador con la línea de carga del capacitor. En la Figura 4 se puede ver el voltaje terminal bajo condiciones de vacío del motor de la Figura 3a junto a dos de las reactancias capacitivas disponibles en el laboratorio, 200 ohms y 172 ohms; observamos los posibles valores de voltaje generado por la máquina V a 0,52 A 134 V a 0,78 A ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Figura 4: Voltaje terminal en vacío para un generador aislado a distintos niveles de capacitancia Debido a la naturaleza de la característica par-velocidad de las máquinas de inducción, es claro que la frecuencia de un generador de inducción varía con los cambios de carga; pero debido a que la velocidad varía muy poco en el rango de operación normal, la variación de frecuencia total está normalmente limitada a menos de un 5%. En [1] se señala que esta variación es aceptable en muchas aplicaciones aisladas o de emergencia. Escuela de Ingeniería Eléctrica. UCR 3 Departamento de Sistemas de Potencia

4 2. Equipo Fuente de alimentación y cables. Tacómetro de mano. Módulo de adquisición de datos. Amperímetro AC. Motor de inducción trifásico jaula de ardilla. Electrodinamómetro y banda. Dos Módulos de capacitores y uno de resistores. Switch trifásico 3. Procedimiento 3.1 Generador de inducción en un sistema de potencia 1) Conecte la máquina de inducción en estrella a la fuente de alimentación fija por medio de los tres amperímetros de M. A. D. y determine el sentido de giro. 2) Utilice el electrodinamómetro en su función de motor de impulsión y conéctelo a la fuente de alimentación variable en cc. Hágalo girar en el mismo sentido que la máquina de inducción y a 1800 rpm. Apague la fuente sin disminuir el control porcentual de tensión en la misma. 3) Acople mecánicamente el motor de impulsión a la máquina de inducción. Accione la fuente. 4) Usando el motor de impulsión aumente la potencia mecánica suministrada a la máquina de inducción y registre la potencia real entregada al sistema así como la velocidad. Calcule la potencia reactiva que la máquina de inducción está tomando de la red. Grafique la potencia trifásica de la máquina en función de la velocidad. En el primotor, no sobrepase las 1900 r.p.m. o los 2 N m. 3.2 Generador de Inducción aislado 5) Desconecte mecánicamente la máquina de inducción del motor de impulsión y desconecte este último de la alimentación. 6) Conecte el motor de inducción a la fuente de alimentación y obtenga una curva de magnetización como la mostrada en la Figura 3a. Para ello, con el motor operando en vacío, realice un barrido desde la máxima tensión de línea hasta unos 60 V LN. Para todos los puntos debe registrar la tensión y la corriente consumida, así como el factor de potencia para calcular la corriente reactiva. 7) Apague la alimentación. 8) Prepare un banco de capacitores en delta de 600 Ω por fase. Determine con ayuda de la Figura 4 Z el voltaje terminal que se puede esperar en el generador recordando que ZY =. 3 9) Con los amperímetros del M.A.D. conecte la máquina de inducción al banco de capacitores. 10) Alimente el motor de inducción sin carga en el eje con la fuente trifásica a 120 V fijos por medio del switch trifásico y verifique el giro. Escuela de Ingeniería Eléctrica. UCR 4 Departamento de Sistemas de Potencia

5 11) Lleve el motor de impulsión a la velocidad sincrónica de la máquina de inducción con el mismo sentido de giro. 12) Acople mecánicamente las dos máquinas con la banda y accione el conjunto. Lleve la velocidad a 1820 rpm. 13) Desconecte la máquina de la fuente de alimentación operando el switch trifásico. Ahora la máquina se encuentra operando en forma aislada con una tensión en terminales predicha en el punto 8), verifique este valor con los voltímetros del M.A.D. 14) Conecte por medio de amperímetros analógicos el generador de inducción a una carga resistiva en estrella de 1200 Ω por fase. Proceda a disminuir la resistencia y registre la tensión y la corriente; cuide que la corriente no sobrepase los valores nominales de los equipos e instrumentos. 4. Referencias [1] Chapman, S.; Máquinas Eléctricas. Cuarta Edición, McGraw-Hill, México, 2005, págs [2] Gourishankar, V.; Conversión de Energía Electromecánica. Ed. Alfaomega, México, [3] Kosow, I.; Máquinas Eléctricas y Transformadores. Segunda Edición, Prentice Hall, México, Escuela de Ingeniería Eléctrica. UCR 5 Departamento de Sistemas de Potencia