MÁQUINAS ELÉCTRICAS LABORATORIO No. 4

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1 Nivel: Departamento: Facultad de Estudios Tecnológicos. Eléctrica. Materia: Maquinas Eléctricas I. Docente de Laboratorio: Lugar de Ejecución: Tiempo de Ejecución: G u í a d e L a b o r a t o r i o N o. 4 T I T U L O : G E N E R A D O R S Í N C R O N O T R I F Á S I C O. I. OBJETIVOS - Que el estudiante adquiera destreza en la conexión y operación del generador síncrono trifásico. - Demostrar experimentalmente el efecto de la variación de la corriente de excitación y la velocidad sobre el voltaje generado. - Analizar el comportamiento de un generador síncrono trifásico conectado a cargas resistivas, inductivas y capacitivas. II. INTRODUCCIÓN El principal elemento de toda red de potencia eléctrica es el generador y por lo tanto es muy importante su estudio en condiciones de vacío y bajo carga. Como sabemos la Energía Eléctrica que usamos en nuestros hogares debe poseer dos características principales: Frecuencia de 60 Hertz. Un nivel de voltaje de acuerdo a su uso. Estas condiciones deben de ser cumplidas por el generador, especialmente la frecuencia, ya que el voltaje cambia de nivel de acuerdo al punto en el cual nos encontremos en la red de potencia. La frecuencia depende de la velocidad a la cual se mueve el generador y del número de polos de la máquina guardando una relación expresada en la siguiente fórmula: f E = ns P 120

2 Donde: f E : frecuencia eléctrica. P: número de polos. n S : velocidad síncrona. De la expresión anterior se observa que hay diversidad de máquinas las cuales realizarían el mismo objetivo, por ejemplo, se pueden obtener 60 Hertz con una máquina de dos polos a 3600 r/min, de igual forma se lograría con una de 12 polos a 600 r/min. El tipo utilizado dependerá del tipo de primotor usado para mover el generador. El otro punto importante es el voltaje y se rige por la siguiente expresión: E A = K Φ w Donde K es una constante de proporcionalidad del motor que depende de los materiales, φ es el flujo que depende a su vez de la corriente de campo y w es la velocidad de la máquina. Los factores que determinan la diferencia entre el voltaje interno generado E A y el voltaje de fase Vφ son: Reacción de armadura. La autoinductancia de las bobinas de las armaduras. La resistencia de las bobinas de la armadura. La configuración de los polos. El circuito equivalente por fase es según se muestra en la Figura 4.1. Figura 4.1: Circuito equivalente de un Generador Síncrono. Para carga resistiva, el diagrama fasorial es: Figura 4.2: Diagrama fasorial.

3 III. MATERIALES Y EQUIPO No. Cantida d Descripción 1 1 Máquina síncrona trifásica 2 1 Máquina de corriente continua en derivación 3 1 Unidad de control de freno magnético 4 1 Freno magnético 5 4 Medidor RMS 6 1 Cargas capacitivas, inductivas y resistivas 7 1 Interruptor de corte de 4 polos 8 1 Vatímetro 9 1 Juego de protecciones de final de eje 10 1 Multimetro 11 - Rectificador monofásico de voltaje variable ST F 12 - Fuente de energía ST A 13 1 Juego de protecciones de acople de eje 14 1 Medidor de factor de potencia Tabla 4.1. IV. PROCEDIMIENTO Parte I: Acople una máquina de Vdc con una máquina síncrona y un tacogenerador. Paso 1. Elabore el circuito de la Figura 4.3. Figura 4.3. Paso 2. La máquina de Vdc se conectará en derivación, o sea, que el campo se conectará en paralelo con la armadura (pídale instrucciones al Instructor de la materia). La máquina de Vdc se alimentará de la fuente reguladora de código ST A. Esta servirá de primotor para aplicar potencia mecánica a la máquina síncrona. La velocidad se controlará con la perilla UASG. Inicialmente deberá estar colocada en sentido antihorario. Máquina Síncrona (Generador). Paso 3. La armadura o estator se debe conectar en estrella, usando el neutro como referencia para medir Factor de Potencia y Voltaje de Fase. El campo de la máquina síncrona se debe alimentar mediante el puente de rectificación, usando la derivación de mayor voltaje (250Vdc) de la fuente de código ST F. La corriente de campo se varía mediante la perilla de la fuente de código ST A. Inicialmente esta perilla deberá estar colocada en sentido antihorario. Para medir If y Vf utilice un medidor código SO L. Para medir el factor de potencia utilice un medidor código SO5127-1M. Tacogenerador.

4 Paso 4. Estará acoplado a la máquina síncrona y en combinación con un medidor se utilizará para supervisar las rpm de la máquina síncrona (asegúrese de calibrar estos medidores). Parte II: Característica de circuito abierto. Paso 1. Haga girar el conjunto primotor-generador a 1800 rpm y complete los datos de la Tabla 4.2, considerando la medición de E A como voltaje de línea a neutro bajo condición de circuito abierto (no hay carga eléctrica alimentada). Bajo estas condiciones f E = 60 Hertz. Varíe el valor de la If según los datos de la tabla, valores para los cuales obtenemos el E A. I F (A) E A (V) Tabla 4.2. También anote la corriente y el voltaje aplicados a la máquina de Vdc. Paso 2. Ajuste I F = 0.4A y complete los datos de la Tabla 4.3. Rpm Tabla 4.3. E A (V) Parte III: Comportamiento bajo carga. Paso 1. Conecte la salida de potencia de la máquina síncrona a una carga resistiva trifásica conectada en estrella. Use R = 680ohmios. I F = 0.4A. n S = 1800 rpm y f E = 60 Hertz. Paso 2. Mida I A, V F y Factor de Potencia. I A = Imperios. V F = Voltios. F.P. =. También mida la corriente y el voltaje aplicado a la máquina síncrona de Vdc.

5 Paso 3. Conecte en paralelo a R = 680 ohmios un capacitor de C = 2mF, en cada fase de la carga (carga RC). Paso 4. Mida I A, V F y Factor de Potencia. I A = Imperios. V F = Voltios. F.P. =. También mida la corriente y el voltaje aplicado a la máquina síncrona de Vdc. Paso 5. Desconecte el capacitor. Paso 6. Conecte en serie con R = 680 ohmios una reactancia L = 800mH, en cada fase de la carga (carga RL). Paso 7. Mida I A, V F y Factor de Potencia. I A = Imperios. V F = Voltios. F.P. =. También mida la corriente y el voltaje aplicado a la máquina síncrona de Vdc. Parte IV: Prueba de DC del estator de la máquina sincrónica. Paso 1. Usando la fuente de código ST F, alimente a una fase del estator (aisle la fase bajo prueba del resto del estator) con I A = 0.6A. Mida el valor de Vdc = Voltios. Parte V: Determinación de la potencia de entrada a la máquina síncrona. Paso 1. Desacople la máquina síncrona y acople el freno de campo magnético a la máquina de Vdc. Paso 2. Determine el torque que se produce bajo las condiciones de corriente y voltaje aplicados a la máquina de Vdc, operando a 1800 rpm. Complete los datos de la Tabla 4.4. Paso 3. Observe el sentido e giro de la máquina, si acaso se mide un torque negativo. Condición I DC V DC P IN DC Torque P IN Mecánica Sin carga Carga

6 Resistiva Carga RC Carga RL Tabla 4.4. Nota: El estudiante deberá revisar las preguntas de la discusión de resultados para realizar las mediciones que considere necesarias, aparte de las realizadas durante el procedimiento, para la resolución posterior de las mismas (de ser necesario, consulte al instructor de la materia). V. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 1. Explique e indique con esquemas como se obtiene la curva característica de circuito abierto para el generador bajo prueba. 2. Explique como se determina el valor de R A. 3. Conociendo los valores de I A, V F y E A, demuestre la manera de encontrar el valor de Xs. 4. Explique como determinar la potencia de entrada del generador, para la elaboración del diagrama de flujo de potencia. 5. Explique y demuestre como determinará las pérdidas por fricción y ventilación del generador. Asuma que las pérdidas diversas son despreciables. 6. Explique y demuestre como determinar la potencia de salida del generador. 7. Explique y demuestre como determinar las pérdidas en el cobre del estator del generador. 8. Explique y demuestre como determinar las pérdidas en el núcleo del generador. 9. Elabore el diagrama de flujo de potencia para este generador trifásico. 10. Explique y demuestre porqué este generador es síncrono. VI. BIBLIOGRAFÍA Electric Machines. Second Edition. Charles I. Hubert. Prentice Hall, Máquinas Eléctricas. Quinta Edición. A. E. Fitzgerald/ Charles Kingsley, Jr. McGraw-Hill Fundamentos de Máquinas Eléctricas. Stephen Chapman. McGraw-Hill 1990.