TPL6 - Máquina Sincrónica - Universidad Nacional del Sur

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SUR - DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRICA Y DE COMPUTADORAS - AREA 4 – CONVERSIÓN ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA (Cod.2553)
TPN° 5
GUIA DE TRABAJOS PRACTICOS DE LABORATORIO
Ensayo de una MÁQUINA SINCRÓNICA TRIFÁSICA
1. Objetivos
¾ Determinar los parámetros de una máquina sincrónica trifásica mediante los ensayos de vacío, cortocircuito y Potier. ¾ Analizar el comportamiento de la máquina alimentando una carga aislada resistiva pura. Determinación de la regulación de tensión de la máquina. ¾ Analizar el funcionamiento de una máquina sincrónica trifásica en paralelo con la red y obtener las curvas V. 2. Introducción
El siguiente procedimiento tiene como objetivo servir como guía para la realización del laboratorio de Máquina Sincrónica Trifásica. Referirse a la bibliografía recomendada por la cátedra para un detalle teórico de los ensayos involucrados y los detalles de cálculo correspondientes. 3. Procedimiento
¾ Realizar el reconocimiento de: • Máquina Impulsora (MI ‐ máquina asincrónica de velocidad variable) i. Características Nominales ii. Arranque y Parada iii. Comando de la velocidad • Máquina sincrónica trifásica (MS) i. Características Nominales ii. Conexión iii. Registrar los valores de chapa • Sistema de excitación (excitatriz piloto) (SE ‐ máquina de CC en conexión shunt). i. Características Nominales ¾ Realizar el reconocimiento del instrumental utilizado para las mediciones de: • Tensión de armadura – MS • Corriente de Línea – MS • Frecuencia de la tensión de armadura – MS • Potencia Activa generada por fase – MS • Potencia Reactiva generada por fase – MS • RPM – MS • Corriente de excitación de la MS • Tensión de la RED • Frecuencia de la RED • Secuencias de la MS y la RED • Sincronismo entre MS‐RED unidad
Carac
unidad
Val
Base
unidad
PEJE
KW
Polos
nº
S
VA
UL
V
Conex
-
UL
V
IL
A
-
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V
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-
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A
UEXC
V
IEXC
A
IEXC
A
nS
r.p.m.
n
r.p.m.
f
Hz
Val Nom
Trabajo práctico de laboratorio: Máquina Sincrónica
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¾ Verificar que las máquinas no tengan obstaculizado el giro (poleas y correas) y el conexionado. ¾ Energizar el tablero principal. ¾ Realizar los siguientes ensayos: • Ensayo de vacío ¾ Con el reóstato de excitación de la excitatriz piloto en su valor más alto arrancar la máquina primaria. ¾ Acelerar la MI y mediante el frecuencímetro (analizador de potencia ‐ Fluke 41B) medir la frecuencia de la tensión generada por la MS. ¾ Una vez alcanzada la velocidad sincrónica (50 Hz) aumentar lentamente la corriente de excitación mediante el reóstato de la excitatriz piloto* y registrar los valores de corriente de campo y la tensión de línea generada (occ ‐ curva de vacío); tomar 10 puntos hasta un valor de aproximadamente el 110~120% de la tensión nominal (≈ 9 [A] de excitación) de a pasos de tensión que consideré adecuados. ¾ Reducir la corriente de campo hasta su valor mínimo y luego parar la MI y abrir el interruptor general. *Es importante que la corriente sea siempre creciente, es decir, no aumentarla y disminuirla para no formar lazos de histéresis en las mediciones. curva de vacio
valores medidos
valores unitarios
%UNOM
IEXC0
Uta0
rIEXC0
rUta0
%
A
V
pu
pu
• Ensayo de cortocircuito ¾ Realizar el un cortocircuito trifásico en bornes de la armadura de la MS. ¾ Con el reóstato de excitación en su valor más alto arrancar la máquina primaria. ¾ Acelerar la MI y mediante el analizador Fluke 41B medir la frecuencia de la corriente generada por la MS. Trabajo práctico de laboratorio: Máquina Sincrónica
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¾ Una vez alcanzada la velocidad sincrónica (50 Hz) ir aumentando la corriente de excitación por medio del reóstato de la excitatriz piloto hasta obtener la corriente nominal de armadura. Registrar el valor de corriente de campo para este estado, quedando así determinada la característica de cortocircuito (scc). ¾ Reducir la corriente de campo hasta su valor mínimo y luego parar la MI y abrir el interruptor general. Retirar el cortocircuito. curva de cto cto
valores medidos
%INOM
%
IEXC,CC
valores unitarios
Ia,CC
rIEXC,CC
rIa,CC
A
V
pu
pu
0,0
0,0
100%
• Alimentación de una carga aislada Este ensayo tiene como objetivo analizar el comportamiento de la máquina operando en esta condición y obtener el valor de la regulación de tensión para el caso de alimentar una carga nominal resistiva pura. ¾ Conectar el banco de carga resistiva a la armadura de la MS y desconectar todos los niveles de carga (puntos 0). ¾ Con el reóstato de excitación en su valor más alto arrancar la máquina primaria. ¾ Acelerar la MI y mediante el analizador Fluke 41B medir la frecuencia de la tensión generada por la MS. ¾ Una vez alcanzada la velocidad sincrónica (50 Hz) ir aumentando la corriente de excitación mediante el reóstato de la excitatriz piloto hasta obtener tensión nominal en la armadura. ¾ Adicionar resistencias de carga mediante la regulación del banco y tomar 10 estados hasta que se llegue a la corriente nominal. A través del predispositor de velocidad de la MI, se deberá ir corrigiendo la frecuencia a su valor nominal en cada paso. ¾ Retirar escalonadamente las resistencias de carga, pero siempre corrigiendo la frecuencia para que no se supere demasiado la velocidad nominal. Reducir la corriente de campo hasta su valor mínimo; luego parar la MI y abrir el interruptor general. Trabajo práctico de laboratorio: Máquina Sincrónica
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Med.
f
IEXC
Ia
Uta0
P
rIEXC
rIEXC
rIa
rUta0
rP
Hz
A
A
V
W
pu
pu
pu
pu
pu
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
• Ensayo de Potier Para este ensayo es necesario hacer funcionar la MS en paralelo con la red y con una excitación tal que la característica de la carga sea inductiva pura. Primeramente, se deberá realizar el paralelo entre la MS y la red. Por lo tanto se deben verificar las condiciones necesarias para poder realizar este paralelo al momento de cerrar el interruptor que vincula la MS con la red. Estas condiciones son que las ternas trifásicas generadas por la MS y la RED tengan igual amplitud, secuencia y fase, y que las frecuencias sean similares. ¾ Repetir los pasos del procedimiento correspondiente al ensayo de vacío hasta lograr una tensión de línea igual a la de la red. (Condición de Amplitud) ¾ Verificar que la secuencia de la RED sea la misma que la de la MS por medio del secuencímetro. Verificar que el resultado obtenido sea respaldado analizando el encendido y apagado de las lámparas conectadas en paralelo con el interruptor de acoplamiento. (Condición de secuencia) ¾ Mediante el control de velocidad de la MI ajustar la misma para que la frecuencia generada sea levemente superior a la de la RED (≈0.2 [Hz]); analizar la relación entre estas frecuencias con la correspondiente al encendido y apagado de las lámparas y la velocidad de giro del sincronoscopio (Condición de Frecuencia). ‐El giro en sentido horario indica que la frecuencia de la MS es mayor que la de la RED.‐ ¾ Si los puntos anteriores fueron corroborados solo queda buscar el instante en que se cumpla la condición de fase. Para la misma se utiliza el sincronoscopio y/o las lámparas. El sincronoscopio indica el momento en el que las ternas trifásicas están en fase cuando la aguja indicadora se encuentra en la posición vertical. En este instante la diferencia de tensión entre los contactos de cada polo del interruptor de acoplamiento es nula y por lo tanto las lámparas se encuentran apagadas *(Condición de fase). Por lo tanto es en este instante (si se cumplen todas las condiciones) el momento indicado para cerrar el interruptor de acoplamiento C. *En realidad, debido a la inercia térmica de las lámparas incandescentes el apagado de las misma está levemente desfasado con el cero de tensión* ¾ Con la MS operando en paralelo ajustar el predispositor de velocidad (ahora la velocidad la fija la RED porque es un sistema más fuerte) para llevar la potencia generada/ consumida a cero y por medio del aumento de la corriente de excitación llevar la corriente de línea a su valor nominal (la Red se presenta a la MS como una carga inductiva – MS sobreexcitada). Es posible que sea necesario ajustar alternativamente ambos controles hasta llegar a esta condición. Para ese estado registrar la corriente de campo con la cual queda determinado el punto de Potier. punto de Potier
valores medidos
valores unitarios
%INOM
Ia
IEXC,P
Uta,P
rIEXC,P
rUta,P
%
V
A
V
pu
pu
100%
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• Curvas V Manteniendo la MS en paralelo con la red se realiza este ensayo con la finalidad de conocer el comportamiento de la misma acoplada a la red. Se analizará la relación de las entradas (corriente de excitación y predispositor de velocidad) con la potencia activa y reactiva generada/consumida. ¾ Disminuir paulatinamente la corriente de excitación desde la IEXC,P (corriente de armadura nominal) hasta que Ia = 0 A, manteniendo la potencia activa igual a cero mediante el ajuste del predispositor de velocidad. ¾ Continuar disminuyendo la corriente de excitación hasta que la corriente de armadura alcance nuevamente su valor nominal, manteniendo siempre la potencia activa igual a cero mediante el ajuste del predispositor de velocidad. ¾ Repetir el procedimiento con un valor de potencia activa distinto de cero (50% de la SNOM), comenzando con la MS sobreexcitada desde la corriente de armadura en su valor nominal, hasta llegar al mismo valor con la MS subexcitada. ¾ Registrar los valores de Uta, IEXC, Ia, P y Q. ¾ Llevar la MS a un estado operativo de potencias activa y reactiva nulas. ¾ Abrir el contactor C y reducir la corriente de campo hasta su valor mínimo; luego parar la MI y abrir el interruptor general. rUta
pu
rP
0
pu
valores
medidos
valores
unitarios
IEXC
Ia
Q
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rIa
rQ
%
A
A
VAr
pu
pu
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subexcitada
sobrexcitada
%INOM
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rP
0,5
pu
valores
medidos
valores
unitarios
IEXC
Ia
Q
rIEXC
rIa
rQ
%
A
A
VAr
pu
pu
pu
subexcitada
sobrexcitada
%INOM
4. Elaboración
Con las mediciones y los registros obtenidos, realizar los siguientes incisos que deberán estar incluidos en el informe: ¾ Graficar las curvas de vacío, cortocircuito y trazar el triángulo de Potier de la MS en valores estándar y en p.u. ¾ Determinar los parámetros del circuito equivalente (la reactancia sincrónica ‐saturada y no saturada‐, la reactancia de dispersión, la resistencia y reactancia de armadura de la MS en valores estándar y p.u.). ¾ Calcular la regulación de tensión de la MS ensayada utilizando los datos obtenidos en el ensayo de alimentación de una carga resistiva aislada. ¾ Graficar las curvas v (Ia vs IEXC a P = cte) para los ensayos medidos. Analizar la relación entre la potencia reactiva generada/consumida y la IEXC de la MS; y entre la potencia activa generada/consumida y el predispositor de velocidad de la máquina primaria (MI). ¾ Realizar los diagramas fasoriales de dos estados de carga distintos. Junto con las conclusiones de los puntos anteriores incluir las respuestas a las siguientes preguntas: Para la condición de la MS en vacío o ¿A qué se debe que la función Uta0 = f (IEXC0) pierde su linealidad y se curve más o menos pronunciadamente? o ¿En qué utiliza el generador la potencia requerida para accionarlo a velocidad nominal cuando Uta0 ≈ 0? o ¿A qué se debe el aumento de potencia solicitada por el generador cuando comienza a generar tensión? Para la condición de la MS en cortocircuito o ¿Qué es lo que determina el valor de la corriente de cortocircuito en el arrollamiento del inducido? o ¿A qué se debe la linealidad del aumento de la corriente de cortocircuito cuando aumenta la excitación? Para la condición de la MS en carga aislada o ¿Cuáles son los efectos que produce la corriente de carga en la MS? Para la condición de la MS en paralelo con la red o ¿Qué significa que las dos lámparas conectadas en serie en una fase de la MS a acoplar en paralelo con la RED se enciendan con todo su brillo o se encuentren totalmente apagadas? o ¿Por qué la IEXC que corresponde a cos φ = 1, no es la misma para distintos estados de carga? o ¿Por qué ya sea aumentando o disminuyendo la IEXC (cuando cos φ = 1) para un determinado estado de carga la potencia absorbida de red siempre aumenta? o ¿Cómo puede utilizarse una MS para mejorar el factor de potencia de una instalación? Trabajo práctico de laboratorio: Máquina Sincrónica
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5. ANEXO
Máquina impulsora (SCHRAGE) El motor‐conmutador de velocidad variable (SCHRAGE) es esencialmente un motor trifásico de inducción con una fem alterna colocada en el bobinado secundario para tener control de velocidad. La diferencia importante de construcción entre este motor y uno de inducción ordinario es que el arrollamiento primario del primero está en el rotor y se alimenta a través de anillos deslizantes, mientras que el arrollamiento secundario esta sobre el estator. Cada fase del secundario está conectada a un par de escobillas móviles que toman la fem del colector (conmutador) necesaria para la inyección dentro del circuito secundario. Las dos escobillas son ajustadas sobre una porción de la periferia del colector y con su separación regula la velocidad del motor. El desplazamiento de las escobillas puede hacerse de forma manual o motorizada. Trabajo práctico de laboratorio: Máquina Sincrónica
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