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Conversión de Energía II:
Laboratorio CT4382
Universidad Simón Bolívar
Departamento de Conversión y Transporte de Energía
Segunda Edición, Enero 2011
Práctica 1: Máquina de Inducción
Trifásica
Prelaboratorio
Sesión 1 Parámetros de la Máquina Sincrónica
1. Explique el procedimiento y montaje para:
a)
Probar y evaluar el aislamiento de una máquina de inducción,
b)
Determinar los parámetros del circuito equivalente de una máquina de inducción,
c)
Obtener las características de magnetización.
2. Explique la estimación de las corrientes de arranque de una máquina de inducción, a
partir de la letra código NEMA [11].
Sesión 2 Características Dinámicas y de Régimen Permanente
1. Explique e ilustre la variación de la potencia, par, corriente y factor de potencia, en
función de la velocidad, de una máquina de inducción operando:
a)
A tensión y frecuencia nominales,
b)
A tensión variable y frecuencia nominal,
c)
A tensión nominal y frecuencia variable,
d)
Manteniendo la relación tensión y frecuencia constante,
e)
Variando la resistencia del rotor.
2. Investigue como estimar el par eléctrico y la velocidad de una máquina eléctrica a partir
del registro dinámico de la tensión de armadura en vacío de un generador CC acoplado
al eje de ésta.
3. Investigue sobre la clasicación NEMA de las máquinas de inducción y su utilización a
nivel industrial.
4. Explique el funcionamiento de los accionamientos elctromecánicos para la inversión del
sentido de giro de la máquina de inducción trifásica.
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Sesión 3 El Arranque y Control de la Máquina de Inducción
1. Investigue el modelo dinámico de la máquina de inducción.
2. Explique el funcionamiento de los accionamientos electromecánicos para arranque a tensión reducida de la máquina de inducción.
3. Investigue el esquema de arranque de los controladores dinámicos de la máquina de
inducción sus características y etapas.
4. Investigue los accionamientos escalares (arranca suaves, tensión frecuencia constante,
deslizamiento constante) y vectoriales (campo orientado y directo de par y ujo) de la
máquina de inducción. Tipos, ventajas, desventajas, usos a nivel industrial, funcionamiento.
5. Investigue sobre la programación, parámetros de ajuste y cambio de la estrategia de
control en los variadores de velocidad disponibles en el laboratorio.
Para todas las sesiones:
Incluya diagramas de conexión, lista de equipos y estimación de resultados para todas las
actividades previstas.
Montajes requeridos
Sesión 1
Medición del aislamiento,
Medición de resistencias del rotor y estator,
Características de magnetización
•
Rotor abierto, velocidad sincrónica,
•
Rotor cortocircuitado, velocidad sincrónica 1600 y 1700 RPM.
Pruebas de vacío
•
Velocidad sincrónica,
•
Velocidad máxima asincrónica.
Prueba de rotor bloqueado,
Relación de transformación,
Adquisición del arranque.
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Sesión 2
Obtención de las características par-velocidad, eciencia y regulación de la máquina de
inducción, con cambio en las resistencias del rotor,
Adquisición del arranque, con diferentes fuentes.
Sesión 3
Tiempos de arranque a diferente carga,
Adquisición de los arranques Delta-Estrella y Estrella-Delta,
Adquisición de los arranques con control de velocidad,
Obtención de las características par-velocidad, eciencia y regulación de la máquina de
inducción, con cambio en las resistencias del rotor.
Laboratorio
Sesión 1
1. Evalúe el estado del aislamiento de la máquina de inducción de rotor bobinado mediante
el índice de absorción dieléctrica (DAR).
2. Determine al valor de las resistencias de estator y rotor de la máquina con los devanados
sin conexión y conectada en estrella y delta.
3. Levante la característica de magnetización de la máquina de inducción a:
a)
Velocidad sincrónica con los terminales del rotor en cortocircuito,
b)
Velocidad sincrónica con los terminales del rotor en circuito abierto,
c)
A 1600 y 1700 RPM con los terminales del rotor en cortocircuito.
NOTA: Para el accionamiento de la máquina de inducción a velocidad constante use una
máquina CC en conexión independiente.
4. Realice la prueba de vacío de la la máquina de inducción con y sin accionamiento a
velocidad sincrónica.
5. Determine la relación de transformación entre los devanados del estator y rotor. Verique
si la posición del rotor afecta la medición.
6. Realice la prueba de rotor bloqueada a tensión reducida. NOTA: Use un listón de madera
para bloquear el rotor.
7. Realice un arranque a plena tensión con la máquina de inducción en vacío. Adquiera
oscilogramas de tensión, corriente (estator y rotor), tiempo de arranque y velocidad.
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Sesión 2
1. Determine las característica de par velocidad, eciencia y regulación de la máquina de
inducción a tensión plena. Invierta el sentido de giro y evalúe de nuevo en puntos de
carga similares. NOTA: Use como carga de la máquina de inducción una máquina CC
como generador.
2. Determine las características anteriores anterior para dos valores diferentes de resistencia
del rotor.
3. Realice un arranque a:
a)
Tensión reducida (75 % y
b)
Tensión nominal y
c)
Relación tensión frecuencia constante a
50Hz
60 %)
y frecuencia nominal.
de frecuencia.
50Hz .
Adquiera oscilogramas de tensión, corriente (estator y rotor), tiempo de arranque y
velocidad.
Sesión 3
1. Determine el tiempo de arranque de la máquina de inducción para diferentes valores de
carga a tensión plena,
75 %
y
50 %
de la tensión nominal.
2. Adquiera los oscilogramas de corriente estatórica y rotórica para un arranque estrellatriángulo y triángulo-estrella con transición abierta y cambio a la mitad del tiempo de
arranque de la máquina de inducción. NOTA: Realice el arranque a máxima carga..
3. Determine las característica de par-velocidad, eciencia y regulación de la máquina de
inducción accionada por variadores de velocidad con control tensión frecuencia constante y directo de par y ujo, para tres valores diferentes de la consigna de referencia
cada uno.
4. Adquiera la forma de onda de tensión y corriente en bornes de la máquina y de la fuente
durante un arranque del convertidor en vacío con ambos esquemas de control: tensión
frecuencia constante y directo de par y ujo.
Informe
1. Determine el estado de aislamiento de la máquina.
2. Graque y parametrice las características de magnetización de la máquina.
3. Determine el circuito equivalente y el diagrama de circulo calibrado del convertidor
electromecánico (máquina de inducción).
4. Construya y analice las curvas en función de la velocidad y deslizamiento de: par, corriente del estator, corriente del rotor, potencia de entrada, potencia de salida y factor
de potencia, en régimen permanente.
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5. Construya y analice las curvas en función de la velocidad y deslizamiento de: par, corriente del estator, corriente del rotor, potencia de entrada, potencia de salida y factor
de potencia, en régimen transitorio o dinámico.
6. Construya y analice las curvas en función de la velocidad y deslizamiento de: par, corriente del estator, corriente del rotor, potencia de entrada, potencia de salida y factor
de potencia, con los diferentes arrancadores y controles de velocidad.
NOTA 1: Determine y reera las resistencias de los devanados a la temperatura de
operación del convertidor.
NOTA 2: Determine el par eléctrico de la máquina a partir de la adquisición de la
velocidad en el eje.
NOTA 3: Comente, compare y discuta los resultados obtenidos para cada una de las
actividades realizadas en el laboratorio.
NOTA 4: Compare los diferentes esquemas de accionamiento de la máquina de inducción
estudiados durante el laboratorio.
NOTA 5:Compare los resultados obtenidos de corriente de arranque con lo establecido
por la letra código NEMA.
NOTA 6: A partir de las pruebas de vacío con y sin accionamiento externo, estime las
pérdidas mecánicas en la máquina de inducción.
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Práctica 2: Generador Asincrónico
Prelaboratorio
1. Explique e ilustre las características de operación de la máquina de inducción como
generador conectado a la red del sistema de potencia [11].
2. Explique e ilustre las características de operación de la máquina de inducción como
generador autoexcitado y describa el control de la frecuencia.
3. Calcule, a partir de las curvas de magnetización, el capacitor necesario para que la
máquina alcance el punto de autoexitación para velocidad nominal, 1600 y 1700 RPM
[11].
4. Investigue sobre el Índice de Protección (IP ) en máquinas eléctricas y sobre las clases
de servicio normalizadas [12].
Incluya diagramas de conexión, lista de equipos y estimación de resultados para todas las
actividades previstas.
Montajes requeridos
Generador asincrónico conectado a la red,
Generador asincrónico autoexcitado, con y sin carga RL.
Laboratorio
1. Realice el montaje de la máquina de inducción como generador conectado a la red del
sistema de potencia y levante la característica par y potencia en función de la velocidad
y el deslizamiento, para diferentes puntos de carga. NOTA: Use una máquina CC como
motor; verique que el sentido de giro de ambos motores sea coherente con la secuencia
de la red.
2. Realice el montaje del generador autoexcitado y coloque la capacitancia que determino
en el prelaboratorio, realice el encendido de la máquina en vacío y determine el punto
de operación del convertidor. Realice nuevamente la experiencia cargando previamente
uno, dos o tres de los condensadores del banco.
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3. Una vez establecido el punto de operación del generador autoexcitado evalúe su comportamiento para dos velocidades con diferentes valores de carga resistiva y resistiva
inductiva. Haga especial énfasis en el ujo de potencia y frecuencia de operación.
Informe
1. Determine el índice de protección y clase de servicio de las máquinas del laboratorio.
2. Graque las curvas de par y potencia en función de la velocidad y deslizamiento del
generador asincrónico.
3. Realice un modelo a partir de una función descriptora [10] de la máquina de inducción
para considerar el efecto de magnetización de la máquina de inducción. Este modelo debe
permitir encontrar el punto de operación como generador autoexitado para un valor de
condensador dado y verique el modelo con los resultados de la práctica.
NOTA 1: Discuta sobre el efecto del control de velocidad sobre la potencia entregada
activa y reactiva del generador.
NOTA 2: Evalué y discuta el comportamiento del generador autoexitado para las diferentes cargas evaluadas.
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Práctica 3: Máquina Sincrónica
Prelaboratorio
1. Investigue sobre la nomenclatura, denición y valores típicos de los diversos parámetros
inductivos y constantes de tiempo de una máquina sincrónica.
2. Explique los procedimientos y montajes para:
a)
Estimar experimentalmente los parámetros de una máquina sincrónica,
b)
Obtener las características de carga (R, RL, RC), regulación y eciencia.
3. Investigue sobre la prueba de cortocircuito brusco y el procedimiento para encontrar los
parámetros de la máquina sincrónica a partir de esta prueba.
4. Investigue el procedimiento para obtener el triángulo de Potier y la corrección por saturación de los parámetros de la máquina sincrónica.
5. Investigue sobre los cuadrantes de operación de la máquina sincrónica y sus convenciones.
Incluya diagramas de conexión, lista de equipos y estimación de resultados para todas las
actividades previstas.
Montajes requeridos
Prueba de vacío / característica de saturación en vacío,
Prueba de cortocircuito / característica de saturación en cortocircuito,
Prueba de deslizamiento,
Prueba de secuencia cero,
Prueba de secuencia negativa,
Medición de resistencias de los devanados,
Prueba de carga, regulación y eciencia,
Cortocircuito brusco.
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Laboratorio
1. Desmonte la placas laterales de la máquina sincrónica y observe el devanado de campo
y los arrollados amortiguadores.
2. Determine todos los parámetros de la máquina sincrónica del laboratorio.
3. Determine las reactancias de secuencia negativa y cero de la máquina sincrónica
4. Levante las características de carga, regulación y eciencia de la máquina sincrónica.
5. Registre el oscilograma de corrientes al aplicar un cortocircuito brusco a la máquina
sincrónica. NOTA: No realice esta prueba de forma continua y consecutiva, debido a los
esfuerzos mecánicos y eléctricos a los que se somete el convertidor.
6. Determine el triángulo de Potier y las curvas necesarias para realizar la corrección por
saturación de los parámetros de la máquina sincrónica.
Informe
1. Construya las curvas de carga, cortocircuito, vacío, regulación y eciencia de la máquina
sincrónica, parametricelas y analice cada uno de los resultados.
2. Indique los parámetros de la máquina sincrónica determinados en el laboratorio y sus
respectivas constantes de tiempo.
3. Indique los modelos de secuencia de la máquina sincrónica.
NOTA 1: Determine las reactancias subtransitorias y transitorias a si como las constantes
de tiempo del oscilograma de corriente de la prueba de cortocircuito brusco.
NOTA 2: Dibuje el triángulo de Potier y las curvas necesarias para realizar la corrección
por saturación de los parámetros de la máquina sincrónica.
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Práctica 4: Motor Sincrónico
Prelaboratorio
1. Investigue sobre el esquema electromecánico de los motores sincrónicos y sus cuidados..
2. Investigue sobre el control moderno de velocidad de los motores sincrónicos.
3. Investigue sobre la obtención de las curvas de Mordey o curvas V.
Incluya diagramas de conexión, lista de equipos y estimación de resultados para todas las
actividades previstas.
Montajes requeridos
Adquisición del arranque a tensión plena y reducida,
Adquisición del arranque con variador de velocidad,
Obtención de las curvas de Mordey,
Respuesta al escalón de carga.
Laboratorio
1. Realice el arranque electromecánico de la máquina sincrónica a tensión plena y con
reducción de la tensión (75 %). Determine tiempos y corrientes de arranque.
2. Realice el arranque de la máquina de sincrónica con un variador de velocidad
v
f
= cte.
Determine tiempos y corrientes de arranque.
3. Realice las curvas de Mordey del motor de inducción con alimentación a tensión plena.
4. Observe el comportamiento de la máquina transitorio ante variaciones bruscas de la
carga, toma y bote de carga. NOTA: Con los dos tipos de alimentación (plena tensión,
variador de velocidad) en dos puntos de operación diferentes.
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Informe
1. Dibuje las curvas V obtenidas en el laboratorio y comparelas con las obtenidas teóricamente a partir de los parámetros de la máquina sincrónica.
2. Analice y discuta los resultados obtenidos en el laboratorio.
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Práctica 5: Sincronización
Prelaboratorio
1. Investigue sobre las condiciones y cuidados necesarios para realizar la sincronización con
la red de una máquina sincrónica.
2. Investigue los tipos de gobernadores de velocidad, su función de transferencia y nalidad
en el control de los generadores sincrónicos y con que equipos del laboratorio usted
modelara este sistema.
3. Investigue los tipos de excitatrices de máquinas sincrónicas, su función de transferencia
y nalidad en el control de los generadores sincrónicos y con que equipos del laboratorio
usted modelara este sistema.
4. Explique que problema para la operación de un Sistema Eléctrico de Potencia representa
la conexión asíncrona de un generador sincrónico.
Incluya diagramas de conexión, lista de equipos y estimación de resultados para todas las
actividades previstas.
Montajes requeridos
Máquina sincrónica conectada a la red,
Máquina sincrónica versus máquina sincrónica, con carga RL.
Laboratorio
Sesión 1
1. Realice la sincronización del convertidor electromecánico a la red. NOTA: no realice esta
operación sin la autorización del profesor.
2. Con la máquina sincronizada cambie el punto de operación del motor de corriente continua y la excitación del campo y analice el comportamiento de cada una de esta variables
en el ujo de potencia entregado a la red. Opere la máquina sincrónica en condiciones
de generador inductivo, capacitivo y condensador sincrónico.
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Sesión 2
1. Conforme tres grupos de trabajo uno para cada uno de los generadores y el otro de
despacho de carga. El despacho de carga esta encargado de dirigir a los equipos de los
generadores para lograr el cometido.
2. Alimente una carga RL desde una fuente de 416V y establezca varios puntos de consumo
de potencia activa y reactiva.
3. Con dos máquinas sincrónicas aisladas de la red, suministre energía a una carga RL.
Sincronice ambos generadores y establezca uno para el control de potencia activa y
frecuencia y el segundo para el control de tensión y reactivos de la carga. Utilice como
referencia los valores obtenidos en el punto anterior
Informe
1. Analice los resultados obtenidos durante la actividad de laboratorio.
2. En esta actividad quien ja la frecuencia de operación de la máquina sincrónica.
3. Discuta sobre el control del gobernador y de la excitatriz implementado en el laboratorio.
4. Reporte los balances de potencia.
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Práctica 6: Motor de Inducción
Monofásico
Prelaboratorio
1. Investigue sobre la determinación de parámetros de la máquina de inducción monofásica.
2. Investigue sobre los accionamientos electromecánicos para arranque e inversión del sentido de giro de máquinas de inducción monofásicas.
3. Investigue sobre las condiciones de arranque de la máquina de inducción monofásica con
y sin condensador.
Incluya diagramas de conexión, lista de equipos y estimación de resultados para todas las
actividades previstas.
Montajes requeridos
Prueba de vacío,
Prueba de rotor bloqueado,
Medición de resistencia de los devanados,
Prueba de carga, regulación y eciencia,
Laboratorio
1. Realice la prueba de vacío y rotor trabado de la máquina de inducción monofásica.
2. Realice la pruebas de carga del motor de inducción y determine su eciencia, regulación
de velocidad y curva par deslizamiento, para ambos sentidos de giro.
3. Determine las corrientes de arranque del motor de inducción en vacío con y sin condensador, para ambos sentidos de giro.
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Informe
1. Analice los resultados obtenidos durante la actividad de laboratorio.
2. Determine la importancia del condensador de arranque en el motor de inducción monofásico.
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Bibliografía
[1] : Understanding Insulation Resistance Testing, AEMC Instruments, 2006
[2] Harlow, James H: Electric power transformer engineering, CRC Press, 2004
[3] Tuma«ski, Sªawomir: Principles of electrical measurement, Taylor & Francis, 2006
[4] Sankaran, C: Power quality, CRC Press, 2002
[5] E Oran Brigham. The fast Fourier transform and its applications. Prentice Hall, 1988.
[6] Francisco C De La Rosa. Harmonics and power systems. CRC/Taylor & Francis, 2006.
[7] Elias M Stein and Rami Shakarchi. Fourier analysis : an introduction. Princeton University Press, 2003.
[8] F. Tiberio; Pruebas sobre Máquinas Eléctricas Editorial Vicens-Vives, Primera Edición,
1965.
[9] Alexander Bueno. Electrónica de Potencia: Aspectos Generales y Convertidores. Universidad Simón Bolívar. 2007
[10] Ogata, Katsuhiko. Modern Control Engineering, Prentice Hall, 1997
[11] McPherson, George, and Laramore, Robert. An Introduction to Electrical Machines and
Transformers, Jhon Wiley & Sons, 1990
[12] Feito, Javier Sanz. Máquinas Eléctricas, Prentice Hall, 2002
[13] José Manuel Aller. Máquinas Eléctricas Rotativas, Editorial Equinoccio, 2008
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