carga inductiva

OBJETIVOS

Principio de funcionamiento, partes , clases , ventajas y desventajas
del alternador o generador síncrono

Analizar las curvas de los ensayos de vacío y cortocircuito.

Análisis de ensayo bajo carga

Observación de la placa de características para no exceder del 20% del
valor nominal antes de realizar los ensayos mencionados.
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MATERIALES E INSTRUMENTOS
Cables de conexión
Servomotor
Motor Primo
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Generador síncrono trifásico
Multímetro
Amperímetro
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Switch
Banco de Resistencias
Banco de Inductancias
Banco de Capacitancias
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DATOS DE PLACA
GENERADOR SÍNCRONO
MOTOR PRIMO
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FUNDAMENTO TEÓRICO
Los generadores síncronos, son los encargados de transformar la energía mecánica en
energía eléctrica. Estas máquinas están constituidas de circuitos magnéticos y circuitos
eléctricos.
El circuito magnético lo constituyen el núcleo del estator, el núcleo del rotor, el
entrehierro, el devanado trifásico y el devanado de campo. (Devanado de excitación)
CIRCUITO MAGNÉTICO
Los generadores se pueden clasificar de acuerdo a la forma de sus rotores en:

Generadores de polos salientes.

Generadores de polos lisos.
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GENERADOR DE POLOS LISOS:
Este tipo de generadores es de dos o cuatro polos, movidos por turbinas de alta
velocidad, de allí que se les conozca como turboalternadores. El rotor presenta un
diámetro de menor longitud que la longitud axial.
El entrehierro es uniforme, por lo que reactancia de la máquina se considera uniforme,
e igual a la reactancia directa (Xd).
GENERADOR DE POLOS SALIENTES:
Los rotores son de gran cantidad de polos, movidos por turbinas hidráulicas que giran
a bajas velocidades.
El rotor se caracteriza por presentar un entrehierro no uniforme, asimismo el diámetro
del rotor es mayor que la longitud axial, tal como se muestra en la figura siguiente.
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ENSAYO DE VACÍO:
Condiciones.

La velocidad de la máquina debe ser constante, preferentemente igual a la
velocidad nominal.

La corriente por el inducido debe ser nula (terminales del estator libres).

Incrementar gradualmente la corriente de excitación, sin que en ningún momento
se disminuya, porque si no, se producen bucles de histéresis.
Valores a obtener.


Tensión en terminales del estator, con la ayuda de un voltímetro.
Corriente por el circuito de excitación con la ayuda de amperímetro DC.
Características.

La característica de vacío expresa también a distinta escala, la característica
magnética a circuito abierto, es decir, su curva de magnetización, dándonos a
conocer las propiedades magnéticas de la máquina síncrona.

La curva no empieza en el origen, sino algo más arriba, de forma que, aun cuando
la corriente de excitación sea nula, se produce una pequeña fuerza electromotriz
en el inducido, debido al magnetismo remanente de la máquina.
La característica de cortocircuito se obtiene apartir
de la corriente de cortocircuito permanente (Icc) en
función de la corriente de excitación (Iexc).
Icc = f(Iexc)
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ENSAYO DE CORTOCIRCUITO
Condiciones
 Los terminales del inducido están en cortocircuito, mediante 3 amperímetros AC.
 La velocidad debe permanecer constante, preferentemente a la velocidad síncrona.
 Incrementar gradualmente la corriente de excitación Iexc.
Valores a obtener.
 Corriente de línea de cortocircuito permanente Icc, en el inducido.
 Corriente de excitación DC.
Características.

Al ser la resistencia del devanado inducido (Ra) muy pequeña en relación con la
reactancia síncrona (Xs), la corriente de cortocircuito permanente (Icc) está
retrasada casi 90º respecto a la fuerza electromotriz generada (Eg), provoca que
el flujo de reacción del inducido está en oposición con el flujo inductor,
reduciendo la tensión generada.
 La curva a obtener es sensiblemente recta.
CORRIENTE DE ENSAYO Y CORTOCIRCUITO
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ENSAYO CON CARGA:
La reacción de armadura de un generador con carga depende de dos factores:

Uno es la magnitud de la carga. A mayor carga (mayor corriente), mayor es la
reacción de armadura.

También depende del tipo de carga, si este es registro, inductivo o capacitivo.
IA
RA
IL
XS

ZL
UTP
EGP
IF
EGP  K  n  
UEXC
FIG. EQUIVALENTE MONOFÁSICO
CARGA RESISTIVA PURA
IaXS
EGP

  0º
Ia
UTP
FIG. DIAGRAMA FASORIAL CON UNA CARGA RESISTIVA
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REGULACIÓN DE TENSIÓN
Es la caída de tensión interna en el generador producto de la carga y expresada como
un porcentaje de la tensión de plena carga.
 Egp  U tp 
 x 100
U reg %  
 Ut

p


Como Epg > Utp, entonces la regulación de tensión (Ureg%) es positiva.
CARGA INDUCTIVA
Para una carga resistiva – inductiva
Ia X
S
EGP


UTP
Ia
FIG. DIAGRAMA FASORIAL CON CARGA INDUCTIVA
Notamos que Egp - Utp, es mayor que el caso anterior, esto debido a las cargas
inductivas son más desmagnetizantes que las cargas resistivas.
Carga Inductiva Pura
Como Ra  XS, despreciaremos el efecto resistivo
EGP
  0º

UTP
IaXS
Ia
FIG. DIAGRAMA FASORIAL CON CARGA INDUCTIVA PURA
En este caso, el efecto desmagnetizante es mayor que los dos anteriores, de allí que se
tenga mayor regulación de tensión.
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CARGA CAPACITIVA
Para una carga capacitiva – inductiva
FIG. DIAGRAMA FASORIAL CON CARGA CAPACITIVA
Carga Capacitiva Pura
Para este tenemos:
Ia
  0º

EGP
IaXS
UTP
FIG. DIAGRAMA FASORIAL CON CARGA CAPACITIVA PURA
En este caso tenemos que la tensión generada internamente (Egp) es menor que la
tensión en terminales (Utp). Por lo tanto, la regulación de tensión es negativo.
De lo anteriormente, expuesto podemos decir que las cargas capacitivas son
magnetizantes.
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Cabe indicar que la regulación de tensión se hace para la condición de plena carga.
UTP
C
EGP
R
L
IPC
IL
FIG. REGULACIÓN DE TENSIÓN SEGÚN EL TIPO DE CARGA
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PROCEDIMIENTO
ENSAYO DE VACÍO:
SE MONTÓ EL SIGUIENTE CIRCUITO SEGÚN LO PLANTEADO EN LA TEORÍA:
OBTENIÉNDOSE LOS SIGUIENTES DATOS:
ENSAYO DE VACÍO
N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
FIEE UNAC
Vfuente (V)
0
4.76
8.07
13.3
20.01
30.16
35.48
30.76
24.9
19.86
15.08
9.87
5.18
0
Eg (V)
4.27
45.3
91.2
163.2
246.4
364.2
416
363
314
253.2
193.2
128.4
66.3
8.61
If (A)
0
0.025
0.09
0.17
0.26
0.4
0.48
0.4
0.33
0.26
0.19
0.12
0.06
0
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ENSAYO DE CORTOCIRCUITO:
SE MONTÓ EL SIGUIENTE CIRCUITO SEGÚN LO PLANTEADO EN LA TEORÍA:
OBTENIÉNDOSE LOS SIGUIENTES DATOS
ENSAYO DE CORTO CIRCUITO
N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
FIEE UNAC
Vfuente (V)
7.83
15.08
25.53
31.04
38.02
45.7
52.1
59.3
68.5
75.2
Icc (A)
0.14
0.25
0.39
0.51
0.62
0.75
0.84
1
1.1
1.2
If (A)
0.1
0.19
0.31
0.42
0.51
0.62
0.7
0.79
0.91
0.98
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RESISTENCIA DE ARMADURA
.
N
1
2
3
4
V armadura (V)
I armadura (A)
4.1
0.2
8.45
0.41
14.65
0.73
19.92
0.83
𝑹𝑨𝑹𝑴𝑨𝑫𝑼𝑹𝑨 = 𝟐𝟏. 𝟒𝟑 Ω
R armadura (Ω)
20.5
20.6
20.6
24
GRÁFICAS REALIZADAS:
Icc (A)
Icc vs If
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
IF (A)
Xs vs If
2000
Xs (Ω)
1500
1000
500
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
IF (A)
FIEE UNAC
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Xs vs If
1200
1000
800
600
400
200
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
ENSAYO CON CARGA
CARGA RESISTIVA
FIEE UNAC
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ANÁLISIS:
El flujo producido por los polos del rotor
inducido
y el producido por las corrientes del
están desfasados. Generando así una distorsión del campo resultante.
ESQUEMA DEL G.S Y DESFASAJE DE FLUJOS
Si tuviéramos un generador síncrono con una carga resistiva, le aplicamos otra con el
mismo f.d.p. (f.d.p.=1), y teniendo en cuenta las mismas restricciones que en el caso
anterior, podemos observar en el diagrama fasorial que el valor de V Φ decrece
ligeramente.
DIAGRAMA FASORIAL DEL G.S CON CARGA RESISTIVA
FIEE UNAC
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DATOS:
VL
IL
Cosθ
233
0
1
227.2
0.125
0.845
225
0.15
0.848
221.2
0.18
0.851
218.7
0.2
0.853
212.2
0.24
0.843
205.1
0.3
0.842
194.2
0.34
0.853
181.3
0.4
0.846
165
0.44
0.848
147.6
0.49
0.847
CARGA INDUCTIVA
FIEE UNAC
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ANÁLISIS:
En este caso los flujos aparecen en sentido contrario. Produciendo un efecto
desmagnetizante, es decir que los flujos se restan; y además produciendo que los
polos inducidos de igual nombre estén enfrentados.
ESQUEMA DEL G.S Y RESTA DE FLUJOS
Supongamos que colocamos una carga con una f.d.p. en atraso y le adicionamos otra
con el mismo f.d.p.; podemos observar que el valor de
mismo ángulo de desfase con respecto a
valor de
con respecto a
aumenta pero mantiene el
entonces tenemos un incremento en el
que como ya dijimos antes, debe conservar el mismo ángulo de desfase
y ya que el valor de
disminución en el valor de
es constante, entonces se produce una
tal como se muestra en el siguiente diagrama fasorial.
DIAGRAMA FASORIAL DEL G.S CON CARGA INDUCTIVA
FIEE UNAC
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VL
IL
Cosθ
233
0
1
206.1
0.1
0.65
175
0.19
0.652
161.4
0.23
0.64
145.6
0.27
0.645
123
0.33
0.651
CARGA CAPACITIVA
FIEE UNAC
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ANÁLISIS:
En este caso los flujos tienen igual sentido. Dando como consecuencia un efecto
magnetizante, es decir que los flujos se van a sumar; y los polos inducidos contrarios
enfrentados.
ESQUEMA DEL G.S Y SUMA DE FLUJOS
Del mismo modo que en los casos anteriores, si colocamos una carga con f.d.p. en
adelanto, y le agregamos otra con el mismo f.d.p. notamos que el valor de
se
incrementa realmente, es decir se produce un aumento de la tensión en sus
terminales, tal como vemos en el diagrama fasorial.
DIAGRAMA FASORIAL DEL G.S CON CARGA CAPACITIVA
FIEE UNAC
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VL
IL
Cosθ
233
0
1
237.4
0.14
0.567
247.4
0.18
0.358
270.2
0.28
0.03
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Los generadores son accionados por turbinas, ruedas hidráulicas y motores diesel u otros tipos
de motores principales. Cuando se produce un cortocircuito en el sistema accionado por un
generador, el generador sigue para producir tensión en los terminales del generador como la
excitación del campo se mantiene y el primer motor acciona el generador a velocidad normal.
El voltaje generado produce un flujo de magnitud gran falla corriente desde el generador a la
corriente de cortocircuito. El flujo de corriente de defecto está limitado solamente por la
impedancia del generador y la impedancia del circuito entre el generador y el circuito corto. En
el caso de un cortocircuito en los terminales del generador, la corriente de defecto está
limitada por la impedancia del generador solamente.

Se verificó que la prueba de cortocircuito es independiente de la velocidad de giro de la
máquina, siendo esta dependencia proporcional manifestada por medio de una recta lineal
entre corriente de armadura y de excitación. Frente a velocidades más reducidas la
característica deja de ser independiente de la velocidad debido a que la resistencia síncrona
deja de ser irrelevante frente a la reactancia síncrona.

A la hora del armado de nuestro circuito tratar de tener siempre la presencia de nuestro
profesor como guía para nuestras conexiones, para que luego nos de la posterior aprobación
del mismo, y recién poder darle tensión al circuito.

No se debe de olvidar la estética del circuito, porque si no se mantiene un orden específico
pueden resultar datos erróneos o daños que mermen el desarrollo del aprendizaje.
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
Para evitar que el generador entre en zona de inestabilidad se debe de proteger con un
analizador de tensión de tal manera que cuando dicho analizador detecte una tensión mayor
que la del generador lo saque fuera de servicio de manera inmediata.

El AVR es un dispositivo que regula la corriente de campo (carga inductiva) pero que se vuelve
inoperante cuando el generador entra en la zona de inestabilidad (carga capacitiva). Es decir
que el AVR no está diseñado para trabajar a tensiones mayores que la del generador aunque
dicho AVR puede trabajar con normalidad se se reduce al mínimo de tal manera que el
generador acepte potencia reactiva.

Podemos analizar que tanto la carga resistiva como la inductiva presentan regulación positiva
(ambos son desmagnetizantes) pero dicha regulación en la inductiva es mucho mayor que la
inductiva lo que podemos concluir que la carga inductiva es más desmagnetizante que la carga
resistiva.

Cuando analizamos el efecto de la carga capacitiva en el generador síncrono podemos señalar
que también se puede visualizar este efecto cuando la regulación es negativo.

A la hora del armado de nuestro circuito tratar de tener siempre la presencia de nuestro
profesor como guía para nuestras conexiones, para que luego nos de la posterior aprobación
del mismo, y recién poder darle tensión al circuito.

No se debe de olvidar la estética del circuito, porque si no se mantiene un orden específico
pueden resultar datos erróneos o daños que mermen el desarrollo del aprendizaje.
De esta manera al finalizar la experiencia se cumple con los objetivos planteados,
observando una muy buena concordancia entre lo observado y lo esperado teóricamente.
FIEE UNAC
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BIBLIOGRAFÍA

MAQUINAS ELECTRICAS ROTATIVAS – FEDERICO VARGAS MACHUCA.

SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – TECSUP

CONTROL DE TENSIÓN – PABLO LEDESMA – UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

SEPARATAS DEL CURSO MAQUINAS ELECTRICAS III FIEE UNAC
ING. HUBER MURILLO MANRIQUE.

UNIVERSIDAD DE COSTA RICA – ESCUELA DE INGENIERIA ELÉCTRICA
TEMA 2: GENERADOR SINCRÓNICO.
 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL DE BUENOS AIRES
CAPITULO 9: MÁQUINA SINCRÓNICA
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