1-manual Laboratorio Maquinas Eléctricas Ii

UNIDADES TECNOLOGICAS DE SANTANDER

LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS II

MANUAL DE PRACTICAS DE MAQUINAS ELECTRICAS II Siguiendo lineamientos de la norma NTC/ISO 17025

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PRACTICAS

MEDIDAS PRELIMINARES GENERADOR SÍNCRONO. CARACTERISTÍCAS DE CORTO Y VACÍO DE GENERADOR SINCRONO. PORCENTAJE DE REGULACIÓN DE VOLTAJE Y EFICIENCIA DE GENERADOR SINCRONO. GENERADORES SÍNCRONOS CONECTADOS EN PARALELO CONEXIÓN DE GENERADORES A LA RED DE POTENCIA INFINITA ARRANQUE DEL MOTOR SÍNCRONO

CURVAS EN “V” DEL MOTOR SINCRONO MOTOR SÍNCRONO USADO COMO CORRECTOR DE FACTOR DE POTENCIA FORMAS DE ARRANQUE DE MOTORES DE INDUCCIÓN ENSAYO DE VACÍO Y ROTOR BLOQUEADO MÁQUINA DE INDUCCIÓN

MÁQUINA DE INDUCCIÓN COMO GENERADOR

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NORMAS DE SEGURIDAD Todos los estudiantes, funcionarios y profesores deben cumplir estrictamente cada una de las siguientes instrucciones y observaciones de seguridad establecidas para el desarrollo de las prácticas de laboratorio.  

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El estudiante debe usar bata durante todas las prácticas. Se recomienda la utilización de ropa cómoda, fresca y adecuada para el trabajo en el laboratorio, como camisetas ceñidas al cuerpo (sin botones), pantalón largo y zapatos cerrados con suela de caucho. Todo estudiante que tenga que trabajar cerca, o con circuitos energizados y máquinas rotativas, deberá quitarse los anillos, cadenas, pulseras, esclavas, reloj y objetos como lapiceros y herramientas, antes de iniciar labores; además, debe evitar el uso de prendas de vestir holgadas, ya que estas pueden ponerse en contacto con partes energizadas o en movimiento. Al realizar una actividad en el laboratorio, examine cualquier conexión insegura e infórmela a sus compañeros y a su profesor y/o laboratorista para que sea corregida inmediatamente y/o se coloquen los avisos correspondientes. En el caso de un accidente, mantenga la calma y no retire con las manos a la persona que esté en contacto con una tensión eléctrica. Corte el suministro de energía. Utilice algún material dieléctrico o aislante (guantes de caucho, listón de madera, etc.). Conozca la ubicación de los extintores para incendios y solicite al laboratorista las instrucciones para aprender a usarlos. INSTRUCCIONES DE SEGURIDAD PARA EL DESARROLLO DE LAS PRÁCTICAS Al realizar una medición o cualquier actividad de laboratorio, primero se debe plantear y estudiar cuidadosamente, el esquema de las conexiones. Todos los aparatos y conexiones requeridas deben ser determinados previamente. Es deber de todo estudiante conocer con anticipación el funcionamiento de los equipos que va a utilizar y saber cómo proceder en el caso de una emergencia. Se debe preparar la práctica con anterioridad y estudiar cuidadosamente la guía correspondiente. En el caso de presentarse dudas, siempre consulte al profesor y/o laboratorista. Recuerde: si no conoce un aparato o sistema o si no está seguro de lo que hace, asesórese para no cometer errores, causar algún daño o provocar algún accidente. Consulte en los catálogos y manuales, los valores de placa de los instrumentos, los datos técnicos y las características suministradas por los fabricantes, antes de realizar conexiones y mediciones. Compruebe el estado de todo el equipo que se va a utilizar en la práctica antes de empezar a realizarla y reporte cualquier anomalía que descubra. Al hacer conexiones u operar un equipo eléctrico, no coloque parte alguna de su cuerpo en otro circuito, en un equipo puesto a tierra o entre terminales.

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Trate los instrumentos de medición con gran cuidado. Evite golpearlos, someterlos a vibraciones etc. Los estudiantes y/o grupos de prácticas deben responder solidariamente por los daños en los equipos, producto de la falta de preparación, irresponsabilidad, desidia o negligencia evidente y comprobable, a partir del concepto técnico del profesor o del laboratorista. Al colocar los conectores de medición en las clavijas de los instrumentos, fíjese en los signos o marcas dibujadas sobre el aparato. Lo mismo debe hacerse al aplicar las puntas de medición sobre el circuito para registrar tensiones; sin embargo, no se recomienda el uso de las puntas de medición sobre circuitos energizados. Verifique que los amperímetros estén conectados en serie y los voltímetros en paralelo. Para los equipos de medida, escoja los rangos más altos de medición, siempre superiores a los valores que se esperan y que han sido determinados a partir de los cálculos previos donde se ha evaluado (aproximadamente) la magnitud que se va a medir. Por lo tanto, al usar un instrumento de medición de varias escalas, se debe empezar por la mayor para luego seleccionar la escala adecuada de forma que la deflexión de la aguja indicadora sea superior al 70% de la escala plena. Todo lo anterior también se aplica para los instrumentos de medida digitales. NUNCA ENERGICE UN CIRCUITO SIN LA REVISIÓN Y AUTORICACIÓN EXPRESA DEL PROFESOR O LABORATORISTA. Nunca se deben modificar las conexiones de un circuito energizado. Apague o desconecte las fuentes (corte visible) y verifique la ausencia de tensión antes de realizar modificaciones en los circuitos de las prácticas, incluyendo la conexión y/o desconexión de instrumentos de medida. En los multímetros no se debe cambiar de función con el instrumento conectado al circuito energizado. No intente frenar el eje de una máquina rotativa después de haberla desconectado. Espere pacientemente a que este se detenga por sí solo. Una vez terminada la práctica, desconecte las fuentes y desarme el circuito, separe y ordene los cables y conectores empleados, colóquelos en los sitios dispuestos para ellos y devuelva los equipos al almacén y cerciórese de que el banco de trabajo quede limpio y los equipos en los sitios respectivos.

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IDENTIFICACIÓN UNIDAD TECNOLOGÍA EN OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ACADÉMICA ELECTROMECÁNICO ASIGNATURA: LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ll UNIDAD TEMÁTICA MÁQUINA SÍNCRONA PRACTICA 1

MEDIDAS PRELIMINARES GENERADOR SÍNCRONO

COMPETENCIA  Identificar y reconocer una máquina síncrona y realizar las medidas preliminares que permitan determinar el estado de la máquina antes de ser usada en alguno de sus procesos.

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CRITERIOS DE EVALUACION Conocer el uso, normas y cuidados al momento de realizar medidas preliminares en las maquinas síncronas. Identificar y reconocer la máquina síncrona trifásica y sus respectivos bornes. Medir la resistencia de aislamiento de una máquina síncrona trifásica. Determinar la polaridad de los devanados.

ACTIVIDADES 1. REFERENCIAS  Manual máquinas eléctricas II (alfonso).  Instructivo para estudiantes de laboratorio.  Máquinas eléctricas (Chapman, 1985).  Máquinas eléctricas (Mora, 2003).  Máquinas eléctricas (Guru & Hirizoglu, 2003). 2. PRECONCEPTOS  Instrumentos de medición (multímetro digital, megger, voltímetro, foto-tacómetro, etc.).  Máquina síncrona (concepto, partes, clases, funciones).  Máquina síncrona trabajando como generador.  Medidas preliminares en la máquina síncrona (conceptos, clases). 3. NORMAS DE SEGURIDAD Aplique normas de seguridad descrito en el anexo del manual de seguridad para el laboratorio. 4. CONTENIDO DE LA PRACTICA  Identificación de bornes de una maquina síncrona trifásica.  Medición de la resistencia óhmica de cada devanado.  Verificación de la resistencia de aislamiento.  Determinación de la polaridad de los devanados.

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5. EQUIPOS Y MATERIALES A UTILIZAR  Máquina síncrona.  Motor de C.C.  Protecciones eléctricas.  Conductores con terminal tipo festo.  Multímetro.  Fuente de regulada de voltaje.  Megger.  Voltímetro AC.  Tacómetro o foto-tacómetro. 6. MARCO TEORICO 6.1 Identificación de bornes y medición de la resistencia óhmica 6.1.1 Con seis bornes en el inducido: Cuando la maquina tiene seis bornes en el inducido y dos de excitación: a) Se mide continuidad para identificar los 4 pares de bornes. b) El par que resulte con mayor resistencia óhmica corresponde al devanado de excitación. 6.2. Verificación de la resistencia de aislamiento La medición de la resistencia de asilamiento se realiza aplicando una tensión continua, con corriente alterna tendría que tenerse en cuenta el efecto capacitivo del elemento aislante. Algunas normas prescriben, para el caso de máquinas eléctricas, que el valor de la resistencia de aislamiento debe ser igual o mayor a 1MΩ; este valor cambiará por los pulsos del voltaje. Para medir la resistencia de aislamiento se puede utilizar un megger o un megohmetro de lectura directa. En la fig. 1.1, se pueden unir los devanados de A.T y medir respecto a tierra o masa (igual para los devanados de B.T), si la resistencia de aislamiento resultase menor del mínimo admisible, se procede a medir cada fase por separado.

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Fig. 1.1: Medida de la resistencia de aislamiento usando megger Fuente: (Ezequiel, 2018)

6.3 Determinación de la polaridad La determinación de la correcta polaridad de los devanados del inducido es importante para la ejecución adecuada de las conexiones de estos entre sí. 6.3.1 Con seis bornes en el inducido: Se procede de la siguiente manera:      

Una vez identificados los tres pares del inducido, se asigna arbitrariamente la polaridad a uno de los pares o fase (la polaridad de las otras fases depende de la polaridad de la fase ya asignada). Luego, se une mediante un puente de polaridad un borne de los ya asignados con un borne cualquiera de otra fase. Lo siguiente será arrancar la máquina motriz y se regula su velocidad hasta que alcance la velocidad nominal de la máquina sincrónica y se energiza el circuito de excitación de esta última máquina, de tal forma que trabaje como generador sincrónico. El siguiente paso es regular la corriente de excitación hasta obtener en cada fase una tensión menor o igual a la nominal entre (0.2 a 1.0 p.u). Se procede a medir primero la tensión en cada fase, para verificar si están equilibradas, (si se encontrare un desequilibrio de tensiones apreciable significa que una de las fases puede tener espiras en cortocircuito o puntos del devanado puestos a tierra). Luego, se mide tensión ente los bornes no puenteados de las dos fases unidas por dicho puente se puede presentar uno de los siguientes casos:

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Figura 1.2: Conexión para determinar bornes de igual polaridad

Fig. 1.3: Diagrama fasorial resultante de la fig.1.2

Fuente: (Ramirez Tejada & Yengle Mendoza, 10)

Fuente: Autores

Del esquema (fig. 1.2) y diagrama fasorial (fig. 1.3) se obtiene la lectura del voltímetro y con ello se determina: 𝑽𝒙 = 𝑽𝟏 ∡𝟎° + (−𝑽𝟐 ∡𝟏𝟐𝟎°) 𝑽𝒙 = √𝟑 ∗ 𝑽∡ − 𝟑𝟎°  Que el puente une bornes de igual polaridad: En tal caso la tensión resultante, entre los bornes libres, será de √𝟑*V, siendo V la tensión de fase. Sí es así el puente une bornes de igual polaridad.

Fig. 1.4: Conexión para determinar bornes de diferente polaridad

Fig. 1.5: Diagrama fasorial resultante de la fig. 1.5

Fuente: (Ramirez Tejada & Yengle Mendoza, 10)

Fuente: Los autores

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Del esquema (fig. 1.4) y diagrama fasorial (fig. 1.5) se obtiene la lectura del voltímetro y con ello se determina: 𝑽𝒙 = 𝑽𝟏 ∡𝟎° + 𝑽𝟐 ∡𝟏𝟐𝟎° 𝑽𝒙 = 𝑽∡𝟔𝟎°  Que el puente une bornes de diferente polaridad: En este caso la tensión resultante, entre bornes libres, será igual a la tensión de fase V, si es así el puente une bornes de diferente polaridad. 6.3.2 Con doce bornes en el inducido: Se procede de la siguiente manera: a) Se asigna arbitrariamente la polaridad a uno de los pares o bobina parcial, (la polaridad de todos los demás pares o bobinas parciales dependerán de la asignación ya realizada). b) Se une mediante un puente de polaridad un borne de los ya asignados con un borne cualquiera de otra fase. c) Se arranca la máquina motriz y se regula su velocidad hasta que alcance la velocidad nominal de la máquina sincrónica y se energiza el circuito de excitación de esta última máquina. d) Se regula la corriente de excitación hasta obtener en cada fase una tensión menor o igual a la nominal. e) Se mide primero la tensión en cada fase, para verificar si están equilibradas, (si se encontrare un desequilibrio de tensiones apreciable significa que una de las fases puede tener espiras en cortocircuito o puntos del devanado puestos a tierra). f) Luego se mide tensión ente los bornes no puenteados de las dos fases unidas por dicho puente se puede presentar uno de los siguientes casos: 

Que el puente une bornes con igual polaridad y de la misma fase: En este caso la tensión resultante entre los bornes libres será igual o aproximadamente igual a cero voltios (0V).



Que el puente une bornes con diferente polaridad y de la misma fase: En este caso la tensión resultante entre los bornes libres será igual a la suma de estos dos (2V).



Que el puente une bornes con igual polaridad y de distinta fase: En este caso la tensión resultante entre los bornes libres será de √𝟑 V.



Que el puente une bornes de diferente polaridad y distinta fase: En este caso la tensión resultante entre los bornes libres será igual es decir (V).

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7. PROCEDIMIENTO a) Tomar datos de placa de la máquina. b) Identificar mediante medidas de continuidad, los bornes correspondientes a cada devanado de una máquina síncrona trifásica. c) Medir la resistencia óhmica de cada una de las bobinas parciales resultantes y establecer qué bornes corresponden a la excitación, utilice el equipo disponible en el laboratorio (megger, meghometro o puente de Wheatstone). Diligencie la tabla y marque con una “x” si la bobina corresponde a una de inducido o la de excitación. Bobinas 1 2 3 4

Ω

Inducido

Excitación

d) Medir la resistencia de aislamiento entre:  Devanados del inducido entre sí.  Devanados del inducido (unirlos eléctricamente) y masa del estator.  Devanado de excitación y masa del rotor. e) Determinar, la polaridad de todas las bobinas parciales del inducido. f) Realice las conexiones que le indique el instructor y verifique la tensión de línea y tensión de fase. 8. CUESTIONARIO a) Qué sucede si al conectar la máquina como generador síncrono, la polaridad de una de las fases está mal determina.  

En conexión estrella En conexión triangulo

b) ¿Un generador sincrónico puede ser auto excitado? ¿Si no puede auto excitado explique por qué? Si puede serlo explique cómo. c) Realice las actividades y cálculos asignados adicionalmente por el guía del curso.

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IDENTIFICACIÓN UNIDAD TECNOLOGÍA EN OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ACADÉMICA ELECTROMECÁNICO ASIGNATURA: LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ll UNIDAD TEMÁTICA MÁQUINA SÍNCRONA PRACTICA 2

CARACTERÍSTICAS DE CORTO Y VACÍO DE GENERADOR SÍCRONO

COMPETENCIA Identificar y reconocer las características de vacío y cortocircuito en un generador síncrono y la importancia que estas características tienen en la determinación de la impedancia sincrónica.

RESULTADOS DE APRENDIZAJE  Conocer el uso, normas y cuidados al momento de realizar ensayos de vacío y cortocircuito en las maquina síncronas.  Realizar ensayos de vacío y corto circuito para determinar el trabajo del generador con datos de placa (tensión y corriente nominal).  Entender e interpretar los datos obtenidos y la importancia de estos para hallar la impedancia sincrónica.

ACTIVIDADES 1. REFERENCIAS  Manual máquinas eléctricas II (Diaz A. ).  Instructivo para estudiantes de laboratorio.  Máquinas eléctricas (Chapman, 1985).  Máquinas eléctricas (Mora, 2003).  Máquinas eléctricas (Guru & Hirizoglu, 2003). 2. PRECONCEPTOS  Instrumentos de medición (multímetro digital, megger, voltímetro, foto-tacómetro).  Característica de vacío y cortocircuito.  Curvas de vacío y cortocircuito.  Relación vacío y cortocircuito.  Impedancia síncrona. 3. NORMA DE SEGURIDAD Aplique normas de seguridad descrito en el anexo del manual de seguridad para el laboratorio.

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4. CONTENIDO DE LA PRACTICA   

Determinación de la característica en vacío. Determinación de la característica de cortocircuito. Determinación de la relación de “Corto circuito”.

5. EQUIPOS Y MATERIALES A UTILIZAR         

Maquina síncrona. Motor de CC. Conductores con terminal tipo festo. Multímetro. Fuente de regulada de voltaje. Voltímetros. Tacómetro o Foto-tacómetro. Protecciones eléctricas. Amperímetros.

6. MARCO TEORICO 6.1 ENSAYO DE VACÍO La característica en vacío, de un generador sincrónico representa la tensión inducida por fase, en función de la corriente de excitación, para una corriente de inducido igual a cero y para una frecuencia constante, generalmente nominal. De máquinas eléctricas se obtiene:

𝑬𝑭 = 𝟒, 𝟒𝟒 ∗ 𝑲𝒅𝒆𝒗 ∗ Donde se sabe que: 𝑬𝑭 : Tensión inducido por fase. 𝑵: Numero de espiras en serie del inducido. 𝒎: Numero de fases. 𝝓: Flujo en [V-seg]. 𝒇: Frecuencia en [ciclos/seg].

𝑵 ∗𝝓∗𝒇 𝒎

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6.2 ENSAYO DE CORTOCIRCUITO Ensayo de cortocircuito: La característica de cortocircuito representa la corriente de inducido por fase del generador sincrónico, en función de la corriente de excitación para una velocidad constante y los bornes del inducido en corto circuito, esta característica es prácticamente lineal, pues la excitación en este ensayo ha de ser reducida, con el fin de limitar la corriente del inducido, generalmente hasta un valor tal que: 𝑰𝒄𝒄 = (𝟏 𝒂 𝟏. 𝟓)𝑰𝒏 Siendo bajo el valor de 𝐼𝑒𝑥𝑐 , también lo es el flujo y por ello en este ensayo no se llega a las condiciones de saturación de la máquina.

7. PROCEDIMIENTO 7.1 Para la determinación práctica de la característica de vacío, se realiza la siguiente conexión:

𝑅𝑒𝑚𝑎𝑥 ),

A Fig. 2.1: Conexión de motor shunt Fuente: (Diaz A. )

𝑰𝒆𝒙𝒄

Fig. 2.2: Conexión de los bobinados para el ensayo de vacío Fuente: (Diaz A. )

a) Teniendo previamente acoplada la maquina motriz a la maquina síncrona, se arranca el motor de c.c en este caso el motor shunt (fig. 2.1) y se lleva a la velocidad nominal o a la velocidad para la cual se desea obtener la característica (se debe saber que en el laboratorio de las Unidades Tecnológicas de Santander solo se cuenta con máquinas de dos polos salientes y que con una frecuencia nominal de 60 Hz su velocidad síncrona nominal será de 3600 rpm). b) Sin conectar la excitación del generador, se mide la tensión en los bornes de inducido (𝑽𝑳 ), que corresponde a la tensión remanente y punto de partida de la característica (fig. 2.2).

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c) Luego se repite el ensayo para otros valores de (𝑰𝒆𝒙𝒄) del generador, realizando la conexión comenzando con (𝑹𝒆𝒎𝒂𝒙), valor mínimo de 𝑰𝒆𝒙𝒄, y con esto se obtienen los valores de tensión y corriente de excitación, para dibujar la característica en vacío, hasta llegar al voltaje tensión nominal (𝑽𝑳𝑵 ). Llene la siguiente tabla con los valores obtenidos en el ensayo. 𝑰𝒆𝒙𝒄 𝑽𝑳 NOTA: Para la curva se acostumbra a tomar para la tensión los valores de fase. La corriente debe regularse de mínimo a máximo, disminuyendo paulatinamente la resistencia 𝑹𝒆 , teniendo el cuidado de no devolver el reóstato para no producir lazos de histéresis que modifican el curso normal de la curva. (El aumento en la 𝑰𝒆𝒙𝒄 se realiza de forma gradual hasta llevar la curva de vacío a la región de saturación). 6.3 Para hallar de manera practica la curva característica de cortocircuito y con ello poder calcular la impedancia sincrónica (𝒁𝒔 ) se debe realizar el montaje anteriormente enunciado o dibujado en el motor shunt (fig. 2.1) y realizar el siguiente montaje de la fig. 2.3:

A Figura 2.3: Conexión de los bobinados para realizar el ensayo de cortocircuito Fuente: (Diaz A. ) a) Luego se arranca el motor y se regula su velocidad hasta la nominal del generador que equivale a 3600 rpm para las máquinas de dos polos salientes del laboratorio de las Unidades Tecnológicas de Santander. b) Se lleva el reóstato hasta su máximo valor de excitación y se procede a energizar el circuito de excitación y corriente de inducido, la 𝐼𝐶𝐶 será el promedio de las corrientes leídas en los

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amperímetros del inducido, es decir: 𝐼𝐶𝐶 =

𝐼𝐿1 + 𝐼𝐿2 + 𝐼𝐿3 3

c) Repetir para varios valores de corriente de cortocircuito hasta que: 𝐼𝐶𝐶 = (1.25)𝐼𝑛 d) Llene la siguiente tabla con los valores obtenidos en el ensayo tomando los valores de la corriente de excitación (𝑰𝒆𝒙𝒄 ) y la corriente de inducido (𝑰𝑪𝑪 ). 𝑰𝒆𝒙𝒄 𝑰𝑪𝑪

8. CUESTIONARIO a) Dibuje la curva característica en vacío con los datos obtenidos en los ensayos de laboratorio. b) En otro gráfico dibuje de nuevo la característica en vacío para 60hz y sobre los mismos ejes, tomando el eje horizontal (𝑰𝒆 ) como común y una escala adecuada para corriente de inducido en el eje vertical, dibuje la característica de cortocircuito. c) A partir de la característica en vacío y cortocircuito obtenga la relación de cortocircuito, calcule impedancia síncrona. 𝒁𝒔 = ______________ d) Con ayuda de la característica en vacío y cortocircuito, obtenga la curva característica de impedancia síncrona en función de 𝐼𝑒𝑥𝑐 e) Realice las actividades y cálculos asignados adicionalmente por el guía del curso.

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IDENTIFICACIÓN UNIDAD TECNOLOGÍA EN OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ACADÉMICA ELECTROMECÁNICO ASIGNATURA: LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ll UNIDAD TEMÁTICA MÁQUINA SÍNCRONA PORCENTAJE DE REGULACION DE VOLTAJE Y EFICIENCIA DE GENERADOR SÍNCRONO PRACTICA 3 COMPETENCIA

RESULTADOS DE APRENDIZAJE

Interpretar los porcentajes de regulación y eficiencia que permiten conocer el estado, en que se encuentra la maquina síncrona al momento de ser utilizada para el beneficio de generación eléctrica y su comportamiento al aplicarle ciertas cargas.

 Conocer el uso, normas y cuidados al momento de hallar la regulación y la eficiencia de las maquinas síncronas.  Entender e interpretar los conceptos de regulación y eficiencia y los datos que con ellos se obtienen.  Reconocer la importancia del tipo de carga aplicada a la maquina síncrona en el momento de la generación y la influencia que estas tienen en el factor de potencia.

ACTIVIDADES 1. REFERENCIAS  Manual máquinas eléctricas II (Diaz A. ).  Instructivo para estudiantes de laboratorio.  Máquinas eléctricas (Chapman, 1985).  Máquinas eléctricas (Mora, 2003).  Máquinas eléctricas (Guru & Hirizoglu, 2003).  Instituto Nacional de Electricidad y energías limpias (Carvajal Martínez, 2014). 2. PRECONCEPTOS  Instrumentos de medición (multímetro digital, megger, voltímetro, foto-tacómetro).  Porcentaje de eficiencia.  Porcentaje de regulación.  Pérdidas de la maquina síncrona.  Determinación de pérdidas en la maquina síncrona. 3. NORMAS DE SEGURIDAD Aplique normas de seguridad descrito en el anexo del manual de seguridad para el laboratorio.

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4. CONTENIDO DE LA PRACTICA  Determinación de las pérdidas del generador síncrono.  Determinación del porcentaje de regulación del generador síncrono.  Determinación del porcentaje de eficiencia del generador síncrono. 5. EQUIPOS Y MATERIALES A UTILIZAR  Maquina síncrona.  Motor de CC.  Conductores con terminal tipo Festo.  Multímetro.  Fuente de regulada de voltaje.  Voltímetros.  Tacómetro o Foto-tacómetro.  Protecciones eléctricas.  Amperímetros.  Módulo de cargas resistivas, capacitivas e inductivas.  Vatímetro. 6. MARCO TEORICO 

Regulación La característica de regulación permite conocer la forma en que se ha de variar la corriente de excitación, para mantener la tensión constante, cualquiera sea la carga. Se define como coeficiente de regulación o simplemente regulación de un generador sincrónico, la variación de tensión al pasar de vacío a condiciones de plena carga expresada en por ciento o por unidad de la tensión nominal. En consecuencia, esta característica representa la corriente de excitación en función de la corriente del inducido, para una frecuencia, un factor de potencia y una tensión en bornes contante. Para la obtención de esta característica se debe llevar a cabo el procedimiento con carga y sin carga ya que su fórmula es un porcentaje: %𝜀 =



𝐸0 − 𝑉𝑐𝑐 ∗ 100 𝑉𝑐𝑐

Eficiencia El concepto de eficiencia de un generador eléctrico es la relación que existe entre su potencia eléctrica de salida y su potencia eléctrica de entrada, bajo condiciones específicas de operación. En máquinas pequeñas dichas potencias pueden ser obtenidas de manera directa con medidores

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de par mecánico y medidores de potencia eléctrica. Sin embargo, en equipos más grandes donde la potencia eléctrica no puede ser medida directamente, se requiere de métodos de prueba distintos para obtener la llamada eficiencia convencional, basado en la cantidad de pérdidas que presenta un generador. Para encontrar la eficiencia en una maquina síncrona debemos utilizar la siguiente formula: 𝑃𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝜂= ∗ 100 𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 Donde se sabe que: 𝜼: Porcentaje de eficiencia. 𝑷𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂: Potencia de salida o potencia determinada medida después de haber restado las perdidas. 𝑷𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 : Potencia de entrada o teórica es aquella la cual el fabricante referencia en datos de placa. 7. PROCEDIMIENTO 

Regulación 7.1 Para la obtención practica de esta característica se lleva a cabo el siguiente procedimiento: a) Se lleva la maquina motriz a la frecuencia nominal. b) Se energiza la excitación del generador, iniciando con un valor reducido y se va instalando carga al generador hasta lograr la corriente nominal o la deseada. c) Hallar la regulación, con el valor de factor de potencia deseado. d) Medimos la corriente de excitación (𝐼𝑒 ) y la tensión en bornes para diferentes valores de excitación. 7.2 Característica para la obtención práctica. a) Se lleva la máquina motriz a la frecuencia nominal y con el generador sin carga se regula la corriente de excitación. b) Luego, manteniendo constante la corriente de excitación y la frecuencia, se va aumentando la carga de tal forma que el factor de potencia permanezca invariable; para cada carga se mide corriente del inducido y tensión en los bornes.



Rendimiento Para hallar el porcentaje de eficiencia se deben determinar las pérdidas en una maquina síncrona, estas se pueden descomponer en: 7.1 Perdidas por rozamiento: Estas pérdidas pueden obtenerse de manera práctica de la siguiente forma:

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a) Teniendo previamente acoplada la maquina motriz a la maquina síncrona, se arranca el motor de c.c en este caso el motor shunt (fig. 2.1) y se lleva a la velocidad nominal o a la velocidad para la cual se desea obtener la característica (se debe saber que en el laboratorio de las UTS solo se cuenta con máquinas de dos polos salientes y que con una frecuencia nominal de 60 Hz su velocidad síncrona nominal será de 3600 rpm). b) Estando el generador sincrónico sin excitación y el inducido en circuito abierto se toman los datos para calcular la potencia desarrollada de la maquina motriz, para ello cuando se esté realizando el ensayo de vacío del generador sincrónico mida en la máquina motriz la tensión de bornes en el inducido (𝑉𝑏𝑖1 ) y corriente de inducido (𝐼𝑎𝑜1 ), la potencia desarrollada por la maquina motriz será: 𝑃𝑑𝑒𝑠1 = (𝑉𝑏𝑖1 − 𝐼𝑎𝑜1 . 𝑅𝑎 − 𝑣𝑒 )𝐼𝑎𝑜1 𝑃𝑑𝑒𝑠1 = 𝜌𝑜𝑚 + 𝑃𝑟𝑓𝑔 c) Ahora se repite el ensayo, pero con el generador desacoplado, se obtienen los datos para calcular la potencia desarrollada por la máquina motriz, que en este caso cubrirá las pérdidas de vacío del motor únicamente: 𝑃𝑑𝑒𝑠2 = (𝑉𝑏𝑖2 − 𝐼𝑎𝑜2 . 𝑅𝑎 − 𝑣𝑒 )𝐼𝑎𝑜2 𝑃𝑑𝑒𝑠2 = 𝜌𝑜𝑚 d) Luego restando la potencia desarrollada con el generador acoplado (𝑃𝑑𝑒𝑠1 ) y la potencia desarrollada con el generador desacoplado (𝑃𝑑𝑒𝑠2 ) se obtienen las perdidas por rozamiento y fricción, así: 𝑃𝑟𝑓𝑔 = 𝑃𝑑𝑒𝑠1 − 𝑃𝑑𝑒𝑠2 7.2 Perdidas del hierro por histéresis y corrientes de Foucault: Por acción del campo magnético principal creado por los amperios-vuelto de la excitación para obtener las pérdidas del hierro (𝑃𝐹𝑒 ) se realiza el siguiente procedimiento: a) Se repite el ensayo del anterior numeral, es decir, primero con el generador acoplado y sin corriente de excitación, equivale a la (𝑃𝑑𝑒𝑠1 ) del numeral anterior b) Segundo con el generador acoplado y en vacío, pero ahora con la excitación energizada, con una corriente de excitación igual a la necesaria para producir la tensión de vacío para condiciones de plena carga, en la práctica 𝐸𝑜 = (1.1 𝑎 1.3)𝑉𝑁 , depende de la regulación del generador, para este último caso se calcula también la potencia desarrollada así: 𝑃𝑑𝑒𝑠3 = (𝑉𝑏𝑖3 − 𝐼𝑎𝑜3 . 𝑅𝑎 − 𝑣𝑒 )𝐼𝑎𝑜3 𝑃𝑑𝑒𝑠3 = 𝜌𝑜𝑚 + 𝑃𝑟𝑓𝑔 + 𝑃𝐹𝑒

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Se obtiene finalmente: 𝑃𝐹𝑒 = 𝑃𝑑𝑒𝑠3 − 𝑃𝑑𝑒𝑠1 7.1 Perdidas por efecto de Joule o perdidas del cobre: En caso del generador trifásico, las pérdidas del cobre del inducido se calculan, independientemente de la conexión (estrella o triangulo) como sigue: 3 𝑃𝑐𝑢 = ∗ 𝑅𝑚𝑒𝑑 ∗ 𝐼𝑓 2 2 𝑹𝒎𝒆𝒅 : resistencia medida entre bornes 

Para conexión estrella (𝑅𝑚𝑒𝑑 = 2𝑅𝐹 )



Para la conexión triangulo (𝑅𝑚𝑒𝑑 = 2 𝑅𝐹 )

3

7.2 Perdidas adicionales: Estas pérdidas adicionales son difíciles de evaluar y pueden ser obtenidas aproximadamente, si se determina la potencia desarrollada de la maquina motriz, con el generador acoplado, el cual se conecta en cortocircuito (fig. 2.3) y con una excitación tal que la corriente del inducido sea la nominal, en este caso: 𝑃𝑑𝑒𝑠4 = (𝑉𝑏𝑖4 − 𝐼𝑎𝑜4 . 𝑅𝑎 − 𝑣𝑒 )𝐼𝑎𝑜24 𝑃𝑑𝑒𝑠4 = 𝜌𝑜𝑚 + 𝑃𝑟𝑓𝑔 + 𝑃𝐹𝑒 + 𝑃𝑎𝑑 Por tanto, restando se obtiene: 𝑃𝑎𝑑 = 𝑃𝑑𝑒𝑠4 − 𝑃𝑑𝑒𝑠3 Teniendo en cuenta todas las perdidas sabremos entonces que la potencia de salida será: 𝑃𝑠𝑎𝑙 = 𝑃𝑒𝑛𝑡 − 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 En donde: 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 : Pérdidas totales

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Las pérdidas se representarían así:

Fig. 3: Perdidas de un motor representado en un diagrama de flujo Fuente: (Diaz, 2014) 8. CUESTIONARIO a) Hallar la regulación con los datos obtenidos en la práctica, S: porcentaje de carga- factor de potencia-. %𝜀 = _____________ b) Hallar la eficiencia con los datos obtenidos en la práctica, S: %𝑛 = _____________ c) Realice las actividades y cálculos asignados adicionalmente por el guía del curso.

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IDENTIFICACIÓN UNIDAD TECNOLOGIA EN OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ACADÉMICA ELECTROMECANICO ASIGNATURA: LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ll UNIDAD TEMÁTICA MÁQUINA SÍNCRONA PRACTICA 4 GENERADORES SÍNCRONOS CONECTADOS EN PARALELO COMPETENCIA Realizar conexión de generadores sincrónicos en paralelo, teniendo en cuenta las condiciones que se deben dar para realizar esta y los diferentes métodos para hallar el instante de sincronismo.

   

RESULTADOS DE APRENDIZAJE Analizar los requerimientos básicos necesarios, para lograr el instante de sincronismo e interconectar generadores en paralelo. Realizar la conexión en paralelo de dos generadores Conocer las condiciones para conectar generadores en paralelo Conocer los métodos para encontrar el instante de sincronismo ACTIVIDADES

1. REFERENCIAS  Manual máquinas eléctricas II (Diaz A. ).  Instructivo para estudiantes de laboratorio.  Máquinas eléctricas (Chapman, 1985)  Máquinas eléctricas (Mora, 2003)  Máquinas eléctricas (Guru & Hirizoglu, 2003) 2. PRECONCEPTOS  Instrumentos de medición (multímetro digital, voltímetro, foto-tacómetro).  Condiciones para la conexión de dos generadores síncronos en paralelo.  Diagrama de casas para generadores síncronos en paralelo. 3. NORMAS DE SEGURIDAD Aplique normas de seguridad descrito en el anexo del manual de seguridad para el laboratorio. 4. CONTENIDO DE LA PRÁCTICA  Condiciones para conectar en paralelo dos generadores síncronos.  Conexión en paralelo y repartición de carga activa y reactiva entre los generadores síncronos. 5. EQUIPOS Y MATERIALES A UTLIZAR  Maquina síncrona  Motor de CC

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          

Conductores con terminal tipo festo Multímetro Fuente de regulada de voltaje Voltímetros Foto-tacómetro Protecciones eléctricas Amperímetros Módulo de cargas resistivas, capacitivas e inductivas Vatímetro Frecuencímetro Sincronizador

6. MARCO TEÓRICO 6.1 Condiciones para conectar en paralelo dos generadores síncronos Las condiciones que se deben cumplir para conectar en paralelo dos generadores sincrónicos son: a) Igual frecuencia de las tensiones de los generadores: Con el fin de verificar si las frecuencias de las tensiones son iguales en los dos generadores, se conectan frecuencímetros en las dos máquinas, en caso de no ser iguales las frecuencias iguales, se regula la velocidad de las máquinas motrices hasta conseguir el cumplimiento de esta condición. Cabe anotar que igual frecuencia no significa igual velocidad de las máquinas motrices, aunque la frecuencia es directamente proporcional a la velocidad, también depende del número de polos el cual podría ser diferente en las dos máquinas. b) Igual tensión en ambos generadores: Para verificar si la tensión es igual en ambos generadores, se conecta a cada uno un voltímetro en caso de no resultar iguales, se regula la corriente de excitación de los generadores hasta lograr igualarlas c) Igual secuencia: Para verificar si la secuencia es correcta existen varios métodos, teniendo en cuenta que en el laboratorio de las Unidades Tecnológicas de Santander se usa el método con lámparas en conexión obscura o apagada. d) Instante de sincronismo: Una vez cumplidas las anteriores condiciones, puede presentarse un desplazamiento o desfase entre las tensiones de los generadores para ello, sea cual sea el método utilizado para la sincronización debe efectuarse en el instante en el que los fasores u ondas de tensión de todas las fases coincidan totalmente, esto ocurrirá para las lámparas en conexión obscura, cuando se apaguen. (En el caso del laboratorio cuando se apague la lámpara central); el tiempo que dure la lámpara apagada es el disponible para cerrar el interruptor (del sincronoscopio) o del generador al interconectar con la red. Las anteriores condiciones se han enumerado en el orden que se recomiendan deben ser

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verificadas. 6.2 Repartición de carga activa y reactiva entre dos generadores conectados en paralelo La potencia activa que un generador puede desarrollar depende de la potencia mecánica que pueda proporcionar su máquina motriz pues solo la componente activa de la corriente del inducido del generador, produce un par resistente. Como consecuencia, es importante conocer las características de funcionamiento de las máquinas motrices (turbinas hidráulicas, de vapor, de gas, motores eléctricos, motores Diesel, etc.) Las cuales, por lo general son similares en todas ellas, así como el tipo de regulación de velocidad; en el laboratorio se usarán motores eléctricos de cc tipo shunt. Las características de las figuras 5.1 y 5.2 representan la velocidad en función de la potencia mecánica pero referidos a los parámetros funcionales del generador, es decir, frecuencia y potencia activa, incluidas las pérdidas mecánicas. Se observa en la Fig. 5.1 el generador A está funcionando con carga a una frecuencia fija y con toda la carga. Si en estas condiciones se conecta en paralelo el generador B, la frecuencia en vacío de este (𝑓0), se debe hacer igual, a la frecuencia del generador A. Como se observa entonces que el generador B no toma carga activa. Para que el generador B tome carga activa se debe regular su fluido motriz, para que la característica de este se desplace hacía arriba, si únicamente se regula la máquina motriz, la frecuencia del sistema será diferente a la anterior tomando en dicho caso una potencia 𝑃𝐵 pero de tal forma que: 𝑃𝐴 + 𝑃𝐵 = 𝑃𝑇 , como muestra la fig. 5.2.

Fig. 5.1 Diagrama de generadores síncronos en paralelo (uno en estado flotante) Fuente: (Guru & Hirizoglu, 2003)

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Fig. 5.2 Diagrama de generadores síncronos trabajando en paralelo Fuente: (Guru & Hirizoglu, 2003)

6.3 Repartición de carga reactiva Para intercambiar carga reactiva entre dos generadores sincrónicos conectados en paralelo, se deben regular las excitaciones de los generadores, pero de tal forma que la tensión en la carga permanezca invariable.

7. PROCEDIMIENTO En esta práctica se debe tener las mayores precauciones del caso, ya que una desatención puede generar daños en la integridad de los equipos manipulados y es de suma importancia manejar muy bien los conceptos y condiciones que se deben tener a la hora de conectar y transferir potencia de un generador a otro, para ello se debe seguir y realizar el siguiente procedimiento: a) Realizar la conexión que se muestra en el esquema unifilar que está a continuación: (NOTA: la conexión usada en los dos vatímetros es la conexión Aron)

Fig. 5: Esquema unifilar de conexión generadores síncronos en paralelo Fuente: (Diaz A. )

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b) Arrancar el generador 1 y conectar como inductiva. Medir, potencia activa, tensión y corriente de inducido o armadura en este generador. c) Arrancar el generador 2, conectarlo en paralelo con el generador 1 usando: El método de las lámparas apagadas o conexión obscura d) Una vez conectados los dos generadores, repartir por igual la potencia activa entre los dos generadores, manteniendo la frecuencia y la tensión constantes. Medir la potencia y corriente de cada generador y de la carga. Para un punto intermedio, antes de alcanzar la repartición por igual de la carga, tomar los datos de potencia y corriente de cada generador. e) Pasar toda la potencia activa al generador 2, medir la potencia y corriente de cada generador, comparar la potencia activa del generador 2 con la potencia activa total f)

Pasar ahora toda la potencia reactiva al generador 2, desconectar el generador 1, luego desconectar paulatinamente la carga del generador 2 y desenergizar totalmente.

g) Conectar uno de los generadores en paralelo con la red y hacer que tome potencia activa y reactiva de la red. Medir potencia activa, corriente y tensión.

8. CUESTIONARIO a) Investigar métodos para determinar el instante de sincronismo. b) Dibujar para cada caso un diagrama de potencias a escala y donde se indique la potencia activa, reactiva y total de la carga. c) ¿Qué sucede si estando conectado dos generadores en paralelo, se reduce demasiado el fluido motriz de uno de los generadores? d) ¿Qué se entiende por par sincronizante de dos generadores sincrónicos conectados en paralelo? e) ¿Puede ocurrir que la potencia reactiva de la carga sea menos que la suma aritmética de los generadores conectados en paralelo? f)

Realice las actividades y cálculos asignados adicionalmente por el guía del curso.

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IDENTIFICACIÓN UNIDAD TECNOLOGIA EN OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ACADÉMICA ELECTROMECANICO ASIGNATURA: LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ll UNIDAD TEMÁTICA MÁQUINA SÍNCRONA PRACTICA 5 CONEXIÓN DE UN GENERADOR A LA RED DE POTENCIA INFINITA COMPETENCIA  Realizar la conexión y acople de generadores síncronos a una red de potencia infinita con carga y en vacío, teniendo siempre en cuenta los parámetros y comportamiento de la máquina para realizar su conexión a la red de potencia.

  

RESULTADOS DE APRENDIZAJE Comprender el proceso de inyección de potencia reactiva y activa a la red desde el generador síncrono, mediante el ajuste de la corriente de campo y el par torsión suministrados a la máquina. Realizar la conexión y acople de un generador síncrono a una red de potencia infinita con carga y en vacío. Conocer los parámetros y condiciones para conectar y acoplar un generador síncrono a una red de potencia infinita con carga y en vacío. Conocer los efectos que tienen las diferentes cargas al momento de realizar la conexión y acople del generador síncrono a la red de potencia infinita ACTIVIDADES

1. REFERENCIAS  Manual máquinas eléctricas II (Diaz A. ).  Instructivo para estudiantes de laboratorio.  Máquinas eléctricas (Chapman, 1985)  Máquinas eléctricas (Mora, 2003)  Máquinas eléctricas (Guru & Hirizoglu, 2003) 2. PRECONCEPTOS  Instrumentos de medición (multímetro digital, voltímetro, foto-tacómetro).  Cargas capacitivas, inductivas y resistivas.  Diagramas fasoriales con cargas capacitivas, inductivas y resistivas.  Influencia de la carga cuando se acopla un generador a la red.  Requerimiento para acoplar un generador a la red. 3. NORMAS DE SEGURIDAD Aplique normas de seguridad descrito en el anexo del manual de seguridad para el laboratorio.

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4. CONTENIDO DE LA PRÁCTICA  Conexión de un generador a un gran sistema de potencia 5. EQUIPOS Y MATERIALES A UTILIZAR  Maquina síncrona  Motor de CC  Conductores con terminal tipo festo  Multímetro  Fuente de regulada de voltaje  Voltímetros  Foto-tacómetro  Protecciones eléctricas  Amperímetros  Módulo de cargas resistivas, capacitivas e inductivas  Vatímetro  Frecuencímetro  Sincronoscopio 6. MARCO TEÓRICO Acoplamiento de un generador síncrono a una red de potencia infinita Un alternador esta acoplado a una red de potencia infinita cuando la potencia de nuestro alternador es muy pequeña comparada con el conjunto de alternadores de la red. Por lo tanto, el valor eficaz de la tensión y el valor eficaz de la frecuencia en la red de potencia infinita van a permanecer constante, es decir no se modificaran a menos que se cambien los ajustes en nuestro alternador. Además de ello nuestra red de potencia infinita será capaz de absorber o suministrar toda la potencia tanto activa como reactiva, que nuestro alternador quiera enviarle o demandarle. La fig. 4.1 muestra la relación de frecuencia de un generador que se encuentra en vacío. 𝒇 𝒇𝒓𝒆𝒅 𝐺

𝑷 Fig.4.1: Relación de frecuencia de un generador en vacío Fuente: Los autores

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Para que el generador alimente algún tipo de carga y tome potencia activa, es necesario aumentar su fluido motriz, con lo cual momentáneamente se aumenta su velocidad (frecuencia), pero luego toma carga activa de la red, regresando la misma velocidad, determinada por la frecuencia de la red; su potencia será 𝑃𝐺 (fig. 4.1). 𝒇 𝒇𝟏

∝

𝒇𝟐

𝒇𝒓𝒆𝒅

𝑮

𝑷

𝑷𝑮

Fig.4.2: Relación de frecuencia-potencia de un generador con carga Fuente: Los autores

Se debe tener en cuenta que cada generador tiene una constante denominada constante del regulador (𝐾), y se mide en 𝑀𝑊⁄𝐻𝑧 . Esta constante se puede determinar de la siguiente manera: tan ∝ = 𝐾 =

𝑃𝑁 𝑓1 − 𝑓2

En el momento del acoplamiento a la red de potencia infinita los valores instantáneos de las tensiones de los generadores y de la red deben ser iguales. Esto conlleva que entre las tensiones del alternador y de la red se cumplan estas condiciones: a) b) c) d)

Igualdad de valores eficaces Igualdad de frecuencias Igualdad de ángulos de fase Igualdad en la secuencia de fases

La última condición se verifica cuando se pone en marcha el generador por primera vez y no hace falta volver a comprobarla. Las demás condiciones se deben verificar cada vez que se realiza la maniobra de acoplamiento del alternador a la red, denominada sincronización y para ello se necesita de una

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serie de aparatos de medida. Entre estos están los sincronoscopios. Existen múltiples métodos de sincronización, pero el que se usara a continuación es el método de las lámparas obscuras, el cual consiste en tres lámparas, colocadas en los vértices de una forma de triángulo equilátero, lucen de forma consecutiva, lo que provocan la ilusión de una luz giratoria, la velocidad de la luz se hace más lenta, cuanto más iguales son las frecuencias de la red con respecto de la del generador. El sentido del giro de la luz dependerá de cuál de las dos frecuencias es mayor. En este instrumento existe un interruptor que se cierra justo cuando la lámpara que se encuentra conectada en la misma fase se apaga, en este caso será la fase R según la fig. 4.3.

Fig 4.3: Esquema de conexión de un sincronoscopio de lámparas entre la red y un generador Fuente: (Rodriguez M. A., 2014) 7. PROCEDIMIENTO 7.1 Conexión de un generador a la red en vacío Para realizar esto en la práctica se debe seguir los siguientes pasos: a) Teniendo previamente acoplada la maquina motriz a la maquina síncrona, se realiza en el generador la siguiente conexión:

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Fig. 4.4: Columna de sincronización para el acoplamiento de un generador a la red Fuente: (Rodriguez M. , 2017) b) Se arranca el motor de c.c en este caso el motor shunt (fig. 2.1) y se lleva a la velocidad nominal o a la velocidad para la cual se desea obtener la característica (se debe saber que para las maquinas síncronas de dos polos salientes y que con una frecuencia nominal de 60 Hz su velocidad síncrona nominal será de 3600 rpm). c) Con el generador sin carga, se regula la corriente de excitación (𝐼𝑒𝑥𝑐 ) hasta el valor deseado. d) Se lleva la máquina para que se cumpla todas las condiciones anteriormente enunciadas de igualdad con respecto a la red, buscando el instante de sincronismo. e) Como el generador no alimentara ningún tipo de carga solo se busca que teniendo las condiciones de la red se acople sin problemas. f) Luego con el generador sin carga, se regula la corriente de excitación (𝐼𝑒𝑥𝑐 ) hasta el valor deseado. NOTA: Como el generador no alimentara ningún tipo de carga solo se busca que teniendo las condiciones de la red se acople sin problemas

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7.2 Conexión de un generador a la red con carga a) Teniendo previamente acoplada la maquina motriz a la maquina síncrona, se realiza en el generador la siguiente conexión: CARGA 𝑾𝟐

V 𝑾𝟏

A 𝒇

G

A C.C

Fig 4.4: Diagrama unifilar de conexión de un alternador a la red con carga Fuente: (Diaz A. )

b) Se arranca el motor de c.c en este caso el motor shunt (fig. 2.1) y se lleva a la velocidad nominal o a la velocidad para la cual se desea obtener la característica (se debe saber que para las maquinas síncronas de dos polos salientes y que con una frecuencia nominal de 60 Hz su velocidad síncrona nominal será de 3600 rpm). c) Cuando se consigue la frecuencia de la red se ingresa el generador en frecuencia de vacío (𝒇𝟎 ), se realiza el acople de la máquina. (Nota: para que ingrese como generador su frecuencia 𝒇𝒈 debe estar por encima de la frecuencia de la red) d) Lo siguiente será transferir carga al generador y con ello empezar a producir potencia, esto se obtiene excitando la máquina, llevándola hasta los valores deseados, se debe tener en constante monitoreo, la tensión, la corriente y la potencia. e) Si se requiere retirar el generador se debe realizar el proceso inverso, es decir, retirar la potencia que está suministrando el generador y dejar el generador de nuevo en un estado flotante tal como se ingresó a la red. f) Realizado todo esto ya se puede desenergizar completamente el motor impulsor.

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8. CUESTIONARIO a) Dibuje el diagrama de potencia en donde indique la potencia activa y reactiva del generador.

b) Complete el triángulo de potencias para el generador conectado a la red. c) Realice las actividades y cálculos asignados adicionalmente por el guía del curso.

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IDENTIFICACIÓN UNIDAD TECNOLOGIA EN OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ACADÉMICA ELECTROMECANICO ASIGNATURA: LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ll UNIDAD TEMÁTICA MOTOR SÍNCRONO PRACTICA 6 ARRANQUE DE MOTOR SÍNCRONO COMPETENCIA  Realizar el arranque del motor síncrono y los diferentes métodos para realizarlo, entendiendo los parámetros y condiciones que se deben cumplir al momento de realizar el arranque.

  

RESULTADOS DE APRENDIZAJE Conocer el uso, normas y cuidados al momento de realizar el arranque del motor síncrono. Realizar el arranque del motor síncrono con las diferentes formas para realizarlo. Entender e interpretar la importancia de disminuir la corriente de arranque en el motor síncrono. Conocer los parámetros que se deben tener en cuenta para dar arranque a un motor síncrono. ACTIVIDADES

1. REFERENCIAS  Manual máquinas eléctricas II (Diaz A. ).  Instructivo para estudiantes de laboratorio.  Máquinas eléctricas (Chapman, 1985)  Máquinas eléctricas (Mora, 2003)  Máquinas eléctricas (Guru & Hirizoglu, 2003)

2. PRECONCEPTOS   

Conexión de autotransformador Corriente de arranque Tensión de arranque

3. NORMAS DE SEGURIDAD Aplique normas de seguridad descrito en el anexo del manual de seguridad para el laboratorio.

4. CONTENIDO DE LA PRÁCTICA 

Formas de arranque del motor síncrono

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5. EQUIPOS Y MATERIALES A UTILIZAR           

Conductores con terminal tipo festo Motor síncrono Motor Shunt Amperímetros Voltímetros Interruptor conmutable Vatímetro trifásico Fuente de regulada de voltaje Foto-tacómetro Protecciones eléctricas Autotransformador

6. MARCO TEORICO Y PROCEDIMIENTO Con el fin de proveer el impulso inicial que permite la sincronización del rotor con el campo magnético giratorio, se utilizan los siguientes métodos: 6.1 Arranque como motor asincrónico o de inducción Por lo general, las maquinas sincrónicas están provistas de una jaula de ardilla, colocada encima de los polos y cuya finalidad es la de amortiguar las oscilaciones pendulares que se presentan por variaciones bruscas de carga o velocidad. Esta jaula de ardilla puede ser utilizada para arrancar la maquina sincrónica como motor de inducción, para tal efecto, se realiza los siguiente: a) El estator se conecta a la red a través de un arrancador, para limitar la corriente de arranque. b) El devanado de excitación se pone en cortocircuito por medio de una resistencia de descarga, como medida de protección, ya que la tensión que se genera en el instante del arranque, por efectos de transformación, puede llegar a valores muy elevados. c) Una vez que el motor ha sido arrancado y llega a una velocidad cercana a la de sincronismo, se elimina el cortocircuito en la excitación y se alimenta el circuito de excitación de una de fuente de C.C. como se muestra en la figura 6.1:

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A B

Fig. 6.1: Esquema eléctrico del arranque del motor síncrono con autotransformador Fuente: (blogspot) 6.2 Arranque con sincronización a la red Este tipo de arranque puede realizarse cuando la maquina sincrónica esta acoplada a un generador eléctrico, el cual pueda ser utilizado como motor en el arranque, por ejemplo, una máquina de C.C (Shunt), como se muestra en la siguiente figura 6.2.

Fig. 6.2: Esquema de conexión arranque con sincronización a la red en máquina síncrona Fuente: (Diaz A. )

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a) Para el arranque el interruptor conmutable, de la máquina de C.C se coloca en la posición 1, la máquina de C.C trabajara en este caso como motor Shunt y la maquina sincrónica lo hace como generador. b) Una vez cumplidas las condiciones en paralelo una M.S, se conecta a la maquina sincrónica en paralelo con la red de C.A. c) Después de realizada la sincronización, se pasa el interruptor conmutable a la posición 2, y es ahora cuando la maquina sincrónica trabaja como motor y la máquina de C.C trabaja como generador.

7. CUESTIONARIO a) Realice las actividades y cálculos asignados adicionalmente por el guía del curso.

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IDENTIFICACIÓN UNIDAD TECNOLOGIA EN OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ACADÉMICA ELECTROMECANICO ASIGNATURA: LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ll UNIDAD TEMÁTICA MOTOR SINCRONO PRACTICA 7 CURVAS EN “V” COMPETENCIA Determinar las curvas en “V” de los motores síncronos y entender la relación que existe entre la corriente de excitación y la de inducido para una tensión y potencia aplicada constante.

RESULTADOS DE APRENDIZAJE  Conocer el uso, normas y cuidados al momento de determinar las curvas en “V”  Conocer y aplicar las curvas en “V” para encontrar los parámetros necesarios.  Entender y saber el procedimiento en las curvas en “V” de los motores síncronos para utilizarlas en la corrección del factor de potencia. ACTIVIDADES

1. REFERENCIAS  Manual máquinas eléctricas II (Diaz A. ).  Instructivo para estudiantes de laboratorio.  Máquinas eléctricas (Chapman, 1985)  Máquinas eléctricas (Mora, 2003)  Máquinas eléctricas (Guru & Hirizoglu, 2003) 2. PRECONCEPTOS  Cargas capacitivas, inductivas y resistivas  Concepto de curvas en “V”  Diagramas fasoriales de los motores síncronos  Curvas de vacío 3. NORMAS DE SEGURIDAD Aplique normas de seguridad descrito en el anexo del manual de seguridad para el laboratorio. 4. CONTENIDO DE LA PRÁCTICA  Determinación de las curvas en “V”

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5. EQUIPOS Y MATERIALES A UTILIZAR  Motor síncrono.  Cosenofimetro.  Multímetro digital.  Conductores eléctricos tipo festo.  Pinza Amperímetrica. 6. MARCO TEORICO Las curvas en “V” de un motor sincrónico son útiles para determinar la corriente de excitación requerida por el motor, para que trabaje con un factor de potencia fijado. Factor de potencia que se halla por cálculos, de acuerdo con las condiciones de una instalación eléctrica y de la necesidad de mejoramiento del factor de potencia. Existe para cada potencia, una corriente de excitación mínima, cuando el ángulo del par llega al límite de estabilidad, este ángulo corresponde al existente entre el campo giratorio del estator y el campo magnético principal de los polos inductores; en el diagrama fasorial simplificado este ángulo equivale al existente entre la tensión en bornes y la 𝑓. 𝑒. 𝑚 de vacío. El procedimiento por seguir es el siguiente: a) Se dibuja el diagrama fasorial (fig. 2.1) de allí se obtienen diferentes valores de 𝑓. 𝑒. 𝑚 de vacío (𝐸0 ) que son iguales a 0𝐶1, 0𝐶2 , 0𝐶3, etc., según sea el factor de potencia, todos ellos con sus extremos 𝐶1 , 𝐶2 , 𝐶3 , etc., en paralelo trazada a una distancia ℎ1 que sería la P=cte. de V.

Fig. 6.1: Diagrama fasorial de un motor síncrono b) Luego estos valores se trasladan a la curva de vacío o magnetizante de la máquina, ver (fig. 2.2), y con esto se hallan los valores de corriente de excitación necesarias para producir cada

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𝑓. 𝑒. 𝑚.

E 𝑪𝟒 𝑪𝟑 𝑪𝟐

𝑪𝟏

𝑰𝒆𝒙𝒄 𝑰𝒆𝟏 𝑰𝒆𝟐 𝑰𝒆𝟑 𝑰𝒆𝟒 Fig. 6.2: Curva de vacío de motor síncrono c) Posteriormente se llevan estos últimos valores de corriente de excitación (𝐼𝑒𝑥) al eje (𝐼𝑒𝑥) de la curva en “V” (fig. 2.3). Además, para cada valor de 0𝐶 le corresponde una magnitud de 𝐵𝐶, 𝐵𝐶 que convertidas a la escala adecuada de corriente (𝐼 = 𝑋𝑠 ), se transfieren al eje 𝐼.

Fig. 6.3: Curva en “V” de un motor síncrono Fuente: (Hernandez)

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d) En la (fig. 2.3), se representa la curva en “V” para varias potencias, estas se obtienen de manera similar trazando el diagrama para una altura h diferente como se muestra en la figura 6.2.

7. PROCEDIMIENTO a) Arrancar un motor sincrónico, según el esquema de la fig. 6.4, es decir, sincronizando la máquina a la red como motor de inducción que fue realizado en la práctica anterior.

Fig. 6.4: Esquema de conexión arranque con sincronización a la red en máquina síncrona Fuente: (Diaz A. ) b) Después de encendido el motor proceda a regular el valor de la corriente de la bobina de excitación, de tal forma que pueda barrer el valor del FP del sistema desde un FP=+Inductivo, pasando por un FP=1, y llevando el factor de potencia hasta un valor de FP=-Capacitivo. Obtenga 4 valores de medición para cuando el sistema es inductivo, 4 valores de medición para cuando el sistema es capacitivo, además del valor del FP unitario. Aparte de medir el ángulo de fase, deberá medir la corriente en el estator (Ia) del motor en una de las fases. Nota: Siempre tenga presente estar pendiente de la estabilidad del motor. En caso de que el motor salga de sincronismo revise el valor de corriente de excitación de la bobina de campo. c) Realizar mediciones de corriente de inducido, y factor de potencia para cada valor de corriente de excitatriz. Pare ellos se debe fijar un par de carga. d) Graficar corriente de inducido vs corriente de excitatriz.

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e) Complete la siguiente tabla con los valores obtenidos para los diferentes tipos de carga, y repita el proceso para cada FP. 𝑰𝒆𝒙𝒄

𝑰𝒊𝒏𝒅𝒖𝒄𝒊𝒅𝒐

Vacío Media carga Plena carga 8. CUESTIONARIO a) Con los datos obtenidos dibuje las curvas en “V”, en un mismo grafico para las tres potencias especificadas. b) Utilizando las curvas en “V” determine la corriente de excitación necesaria en la maquina en ensayo, para que trabajando con una potencia activa de 0,5 pu se presente a la red como una carga capacitiva con factor de potencia igual a 0,8. c) Realice las actividades y cálculos asignados adicionalmente por el guía del curso.

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IDENTIFICACIÓN UNIDAD TECNOLOGIA EN OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ACADÉMICA ELECTROMECANICO ASIGNATURA: LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ll UNIDAD TEMÁTICA MOTOR SÍNCRONO PRACTICA 8 MOTOR SINCRONO USADO COMO CORRECTOR DE F.P. COMPETENCIA Usar el motor sincrónico como corrector de factor de potencia, reduciendo el consumo de potencia reactiva y reemplazar los condensadores por los motores dando un uso similar a estos.

RESULTADOS DE APRENDIZAJE  Conocer el uso, normas y cuidados al momento de usar el motor sincrónico como corrector del factor de potencia.  Realizar la conexión que permita usar el motor sincrónico para corregir el factor de potencia.  Entender e interpretar los datos obtenidos y la importancia de estos.  Conoce las condiciones para usar el motor sincrónico como corrector del factor de potencia. ACTIVIDADES

1. REFERENCIAS  Manual máquinas eléctricas II (Diaz A. ).  Instructivo para estudiantes de laboratorio.  Máquinas eléctricas (Chapman, 1985)  Máquinas eléctricas (Mora, 2003)  Máquinas eléctricas (Guru & Hirizoglu, 2003) 2. PRECONCEPTOS  Instrumentos de medición (multímetro digital, voltímetro, foto-tacómetro)  Cargas capacitivas, inductivas y resistivas  Diagramas fasoriales con cargas capacitivas, inductivas y resistivas  Corrección de factor de potencia  Triangulo de potencia  Motor síncrono 3. NORMAS DE SEGURIDAD Aplique normas de seguridad descrito en el anexo del manual de seguridad para el laboratorio.

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4. CONTENIDO DE LA PRÁCTICA  Motor síncrono aplicado a la corrección de factor de potencia 5. EQUIPOS Y MATERIALES A UTILIZAR  Conductores con terminal tipo festo  Motor síncrono  Motor de C.C  Amperímetros  Vatímetros trifásicos  Voltímetros  Módulo de cargas inductivas  Fuente de regulada de voltaje  Foto-tacómetro o tacómetro  Protecciones eléctricas 6. MARCO TEORICO Una característica importante de la máquina sincrónica es que el factor de potencia de la máquina puede ser controlado por la corriente de campo (𝐼𝑓), es decir, con 𝐼𝑓 se puede hacer que la corriente de línea se adelante o se atrase al voltaje en terminales. Para el desarrollo de este tema, se debe pensar en una máquina conectada a una red y a potencia real constante. Si P = cte. Como pudo advertirse, dependiendo del valor de la corriente de excitación un motor sincrónico se presenta a la red como una carga resistiva, como una carga capacitiva o como una carga inductiva; esta cualidad permite su utilización con doble función: Proporcionar una potencia mecánica para mover una máquina de trabajo y a la vez actuar como carga capacitiva para corregir el factor de potencia. De hecho, en algunos casos para subestaciones de transformación, se utilizan motores sincrónicos, trabajando en vacío y con el único fin de mejorar el factor de potencia, en tal caso toman el nombre de “Condensadores sincrónicos”, el diseño de estos difiere sin embargo, con relación a un motor sincrónico normal, pues desde el punto de vista mecánico no estará sometido a esfuerzos apreciables a excepción del rozamiento y resistencia del aire y desde el punto de vista electromagnético debe estar diseñado para permitir una amplia sobrexcitación

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7. PROCEDIMIENTO 7.1 Realizar la siguiente conexión

Fig. 8.1 Esquema de conexión de un motor síncrono para corregir factor de potencia Fuente: (Diaz A. ) a) Conecte a la red de AC una carga inductiva, conecte también la máquina sincrónica, hágala trabajar como motor sincrónico en vacío y mediante variación de su corriente de excitación varía el factor de potencia hacía la red, use el diagrama de conexión unifilar de la fig. 8.1. b) Mida en la red 𝑰𝒆𝒙𝒄 𝟏

𝑰𝒆𝒙𝒄 𝟐

𝑰𝒆𝒙𝒄 𝟑

𝑰𝒆𝒙𝒄 𝟒

Potencia activa Tensión Corriente c) En la carga para cuatro valores diferentes de corriente de excitación del motor síncrono 𝑰𝒆𝒙𝒄 𝟏 Potencia activa Tensión Corriente

𝑰𝒆𝒙𝒄 𝟐

𝑰𝒆𝒙𝒄 𝟑

𝑰𝒆𝒙𝒄 𝟒

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8. CUESTIONARIO a) Con los datos obtenidos, dibuje para cada corriente de excitación el diagrama de potencia de la red y de la carga, derive a partir de ellos el diagrama del motor sincrónico. b) Realice las actividades y cálculos asignados adicionalmente por el guía del curso.

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IDENTIFICACIÓN UNIDAD TECNOLOGIA EN OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ACADÉMICA ELECTROMECANICO ASIGNATURA: LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ll UNIDAD TEMÁTICA MÁQUINA DE INDUCCIÓN PRACTICA 9 FORMAS DE ARRANQUE DE MOTORES DE INDUCCION COMPETENCIA  Identificar, conocer, representar y utilizar los diferentes tipos de arranque para motores de inducción o asincrónicos, conociendo los beneficios que trae consigo los diferentes tipos de arranque para reducir la corriente de estos.

  

RESULTADOS DE APRENDIZAJE Conocer el uso, normas y cuidados al momento de usar las diferentes formas de arranque de los motores de inducción. Realiza los diferentes tipos de arranque que se tienen para el motor de inducción. Entiende e interpreta que con los diferentes métodos se logra reducir la corriente de arranque. Conoce las clases de motores de inducción y sus formas de arranque. ACTIVIDADES

1. REFERENCIAS  Manual máquinas eléctricas II (Diaz A. ).  Instructivo para estudiantes de laboratorio.  Máquinas eléctricas (Chapman, 1985)  Máquinas eléctricas (Mora, 2003)  Máquinas eléctricas (Guru & Hirizoglu, 2003) 2. PRECONCEPTOS  Instrumentos de medición (multímetro digital, voltímetro, foto-tacómetro)  Clases de motores de inducción  Tipos de arranque de motores de inducción  Corriente de arranque 3. NORMAS DE SEGURIDAD Aplique normas de seguridad descrito en el anexo del manual de seguridad para el laboratorio.

4. CONTENIDO DE LA PRÁCTICA 

Formas de arranque de los motores de inducción o asíncronos

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5. EQUIPOS Y MATERIALES UTILIZADOS          

Conductores con terminal tipo festo Motor de inducción (jaula de ardilla, rotor bobinado) Amperímetros Voltímetros Autotransformador Módulo de resistencias Contactores Fuente de regulada de voltaje Foto-tacómetro o tacómetro Protecciones eléctricas

6. MARCO TEORICO Y PROCEDIMIENTO El arranque es el proceso de puesta en marcha de un motor lleva desde una velocidad nula a la del punto de funcionamiento estable que corresponda al par resistente de la carga que tiene que mover. Para que pueda realizarse esta maniobra debe cumplirse la condición de arranque: durante el arranque el par del motor debe ser superior al par resistente. De no cumplirse esta condición, el par motor es insuficiente para mover la carga mecánica que tiene acoplada y no se puede producir el arranque. 6.1 Arranque directo Este método de arranque es el más sencillo de todos y se emplea en motores de pequeña potencia (o en motores grandes si están conectados a una red eléctrica independiente, de tal manera que su corriente de arranque no afecte a otros consumidores). Consiste en arrancar el motor simplemente conectándolo a su tensión asignada 𝑉1𝑁𝐿 . En este método de arranque (y también en los de tensión reducida, que se van a estudiar más adelante) la corriente del rotor reducida al estator 𝐼 ′ 2𝑎 va a ser lo suficientemente grande comparada con la de vacío 𝐼0 como para despreciar esta última. Por lo tanto, se va a considerar que la corriente de arranque 𝐼𝑎 (que circula por el estator) es prácticamente igual a la del rotor reducida al estator: 𝐼 ′ 2𝑎 ≫ 𝐼0 → 𝐼𝑎 ≈ 𝐼 ′ 2𝑎 NOTA: En el siguiente esquema de conexión la aplicación de los contactores se hará con el fin de automatizar el arranque del motor, no se hace necesario el uso de los mismos y por tanto, pueden ignorarse al momento de realizar la conexión y reemplazarse por otro elemento que reemplace su función.

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Fig. 9.1: Esquema de conexión motor de inducción con arranque directo Fuente: (Patricio, 2018) 6.2 Arranque por autotransformador Consiste en intercalar un autotransformador entre la red y el motor, de tal forma que la tensión aplicada en el arranque sea solo una fracción de la asignada. El proceso puede realizarse en dos o tres escalones y con tensiones no inferiores al 40, 60 y 75% de la tensión de la línea. Se aplica a motores cuya potencia nominal es mayor que 5Kw. El autotransformador de arranque es un dispositivo similar al estrella-triangulo, salvo por el hecho de que la tensión reducida en el arranque se logra mediante bobinas auxiliares que permiten aumentar la tensión en forma escalonada, permitiendo un arranque suave. Su único inconveniente es que las conmutaciones de las etapas se realizan bruscamente, produciendo en algunas ocasiones daños perjudiciales al sistema mecánico o a la maquina accionada. Por ejemplo, desgaste prematuro en los acoplamientos (correas, cadenas, engranajes o embragues de acoplamiento) o en casos extremos roturas por fatiga del eje o rodamientos del motor, producido por los grandes esfuerzos realizados en el momento de arranque. Este método de arranque es posible solo en los casos cuando el par de frenado durante el arranque no es grande. De lo contrario el motor no podrá iniciar la marcha.

Fig. 9.2: Arranque de motor de inducción a plena tensión. Fuente: (Rodriguez, 2017)

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𝑰𝑳𝑻𝑹

𝑰𝒓𝒆

V

𝑽𝑴 A

Fig. 9.3: Arranque de motor de inducción con autotransformador Fuente: (Rodriguez, 2017) 6.3 Arranque por inserción de resistencias Para calcular la resistencia requerida por fase se parte de los siguientes datos: corriente de arranque a plena tensión (𝐼𝑃𝑇 ), corriente de arranque a tensión reducida (𝐼𝑇𝑅 ), factor de potencia ha roto fijo cos(∅𝑟𝑓 ) se obtienen fácilmente a partir del ensayo de corto circuito, corresponden a 𝐼𝐾 , cos(𝜑𝑟𝑓 ). 𝑉𝐹 = tensión de fase correspondiente a

𝑉𝐿 . √3

𝑉𝑀 = Tensión aplicada por fase al motor. 𝑉𝑅 = Componente de la tensión necesaria para vencer la caída en R. 𝑉𝑅𝑒 =Componente de la tensión para contrarrestar la caída resistiva del motor. 𝑉𝑋𝑒 = Componente de la tensión para contrarrestar la caída trifásica del motor. Por consiguiente,

𝑅=

𝑉𝑅 𝐼𝑇𝑅

La corriente 𝐼𝑇𝑅 , es el valor al cual se desea limitar la corriente. 𝑉𝑅 se desconoce, sin embargo, del diagrama fasorial:

𝑉𝑅 + 𝑉𝑅𝑒= √(𝑉𝑅 )2 − (𝑉𝑋𝑒 )2 𝑉𝑅 = (√(𝑉𝑅 )2 − (𝑉𝑋𝑒 )2 ) − 𝑉𝑅𝑒

De la anterior ecuación se desconoce 𝑉𝑋𝑒 y 𝑉𝑅𝑒 .

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Pero del diagrama fasorial:

𝑉𝑋𝑒 = 𝑉𝑀 sin ∅𝑟𝑓 𝑉𝑅𝑒 = 𝑉𝑀 cos ∅𝑟𝑓 𝑉𝑀 =

𝐼𝑇𝑅 ∗ 𝑉𝐹 𝐼𝑃𝑇

En conclusión, los pasos a seguir son: Paso 1: Calcular 𝑉𝑀 , 𝐼𝑃𝑇 =𝐼𝑀 , se obtiene del ensayo de corto o rotor fijo del motor, 𝐼𝑇𝑅 se establece según las características de la red y el par de arranque (Nota: el par varía con el cuadrado de la tensión. Paso 2: Se calcula 𝑉𝑋𝑒 y 𝑉𝑅𝑒 . Paso 3: Se calcula 𝑉𝑅 . Paso 4: Se calcula 𝑅 . Es un método de arranque con tensión reducida. En este circuito la maniobra de arranque consiste en: 

Cerrar el interruptor I1 con los interruptores I2 e I3 abiertos: arranque a tensión reducida (con toda la impedancia en serie con el estator).



Cerrar el interruptor I2: se deja solamente una fracción de la impedancia en serie, lo que aumenta la tensión del estator.



Cerrar el interruptor I3: el motor recibe la totalidad de la tensión de la red.

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Fig.9.4: Esquema de conexión de arranque por inserción de resistencias Fuente: (Rodriguez, 2017) 6.4 Arranque estrella-triángulo El arranque estrella-triángulo sólo se puede utilizar si el motor está conectado a una red eléctrica cuya tensión de línea sea igual a la tensión asignada de fase del motor. Esto obliga a que para que el motor funcione a su tensión asignada y su corriente de fase sea √3 veces menor deba conectarse en triángulo: 𝑉𝐿 = 𝑉𝐹 → 𝐼𝐿 = √3𝐼𝐹 En este caso el arranque se realiza con el motor conectado en estrella. Cuando el motor ha adquirido cierta velocidad se conmutan las conexiones y se lo conecta en triángulo para que pase a funcionar con su tensión asignada. Al arrancar en estrella, la tensión de fase del motor ya no es la asignada sino √3 veces menor y su corriente de línea será igual a la de fase así: 𝑉𝐿 = √3𝑉𝐹 → 𝐼𝐿 = 𝐼𝐹 Este método de arranque se puede aplicar tanto a motores de rotor devanado como a motores de rotor jaula de ardilla, la única condición que debe cumplir el motor para que pueda aplicarse este método de arranque es que tenga acceso completo a los devanados del estator (6 bornes de conexión). La conmutación de estrella-delta generalmente se hace de forma automática luego de transcurrido un lapso (que puede regularse) en que el motor alcanza determinada velocidad. El arranque estrella-delta es el procedimiento más empleado para el arranque a tensión reducida debido a que su construcción es simple, su precio es reducido y tiene una buena confiabilidad. En el caso más simple tres contactores realizan la tarea de maniobrar el motor, disponiendo de

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enclavamientos adecuados. La protección del motor se hace por medio de un relé térmico. El térmico debe estar colocado en las fases del motor. Algunas indicaciones que se deben tener en cuenta sobre el punto de conmutación son: el pico de corriente que toma el motor al conectar a plena tensión (etapa delta) debe ser el menor posible; por ello, la conmutación debe efectuarse cuando el motor esté cercano a su velocidad nominal (95% de la misma), es decir cuando la corriente de arranque baje prácticamente a su valor normal en la etapa de estrella. Asimismo, el relé de tiempo debe ajustarse para conmutar en este momento, no antes ni mucho después. Habitualmente, un arranque normal puede durar hasta 10 segundos, si supera los 12 segundos se debe consultar al proveedor del equipo. Si no se cumple con lo anterior, el pico de corriente que se produce al pasar a la etapa de triángulo es muy alto, perjudicando a los contactos, al motor y a la máquina accionada. El efecto es similar al de un arranque directo. NOTA: En el siguiente esquema de conexión la aplicación de los contactores se hará con el fin de automatizar el arranque del motor, no se hace necesario el uso de los mismos y por tanto, pueden ignorarse al momento de realizar la conexión y reemplazarse por otro elemento que reemplace su función.

Fig. 9.5: Esquema de conexión arranque estrella-triangulo Fuente: (Rodriguez, 2017)

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7. CUESTIONARIO a) ¿El par de arranque desarrollado por el motor depende de la carga mecánica que tenga el motor en el arranque? b) ¿El tiempo de arranque de un motor, depende de la potencia del motor?

c) Realice las actividades y cálculos asignados adicionalmente por el guía del curso.

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IDENTIFICACIÓN UNIDAD TECNOLOGIA EN OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ACADÉMICA ELECTROMECANICO ASIGNATURA: LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ll UNIDAD TEMÁTICA MÁQUINA DE INDUCCIÓN PRACTICA 10 ENSAYO DE VACÍO Y ROTOR BLOQUEADO MÁQUINA DE INDUCCIÓN COMPETENCIA Realizar el esquema de conexión con el fin de obtener el circuito equivalente a partir del ensayo de vacío y rotor bloqueado de la máquina de inducción, siguiendo los parámetros e indicaciones propuestas.

   

RESULTADOS DE APRENDIZAJE Conocer el uso, normas y cuidados al momento de realizar el ensayo de vacío de la máquina de inducción. Realizar el ensayo de vacío de la máquina de inducción. Conocer y aplicar el método de arranque con autotransformador para realizar el ensayo de vacío de la máquina de inducción Realizar el ensayo de rotor bloqueado de la máquina de inducción. ACTIVIDADES

1. REFERENCIAS  Manual máquinas eléctricas II (Diaz A. ).  Instructivo para estudiantes de laboratorio.  Máquinas eléctricas (Chapman, 1985)  Máquinas eléctricas (Mora, 2003)  Máquinas eléctricas (Guru & Hirizoglu, 2003) 2. PRECONCEPTOS  Instrumentos de medición (multímetro digital, voltímetro, foto-tacómetro)  Concepto de vacío  Concepto de rotor bloqueado o cortocircuito  Circuito equivalente máquina de inducción  Arranque con autotransformador de la máquina de inducción  Diagrama circular  Transformadores de corriente 3. NORMAS DE SEGURIDAD Aplique normas de seguridad descrito en el anexo del manual de seguridad para el laboratorio.

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4. CONTENIDO DE LA PRÁCTICA  Ensayo de vacío en la máquina asíncrona o de inducción.  Ensayo de rotor bloqueado en la máquina asíncrona o de inducción. 5. EQUIPOS Y MATERIALES UTILIZADOS  Conductores con terminal tipo festo  Motor de inducción  Autotransformador  Voltímetro  2Amperímetro  2 vatímetros monofásicos  Fuente de regulada de voltaje  Foto-tacómetro o tacómetro  Protecciones eléctricas  Foto-tacómetro o tacómetro  2 transformadores de corriente  Protecciones eléctricas 6. MARCO TEORICO El ensayo de vacío: Se realiza aplicando la tensión nominal del motor y dejando que el rotor gire libremente. Mediante este ensayo se obtiene: a) Los parámetros de la impedancia de excitación del circuito equivalente aproximado 𝑅0 y 𝑋0 . b) El punto 𝑃0 o de vacío del diagrama circular c) Las pérdidas de vacío del motor de inducción El ensayo de cortocircuito o rotor bloqueado: Mediante este ensayo se determinan los valores de la resistencia del rotor y de ambas reactancias. Para realizarlo, el rotor debe estar perfectamente fijo, impedido de giro, con lo cual el deslizamiento será la unidad. En estas condiciones, se aplica al motor una tensión trifásica equilibrada que irá incrementándose desde cero hasta que el motor absorba una corriente del orden de la nominal por el estator. La tensión (denominada de cortocircuito) que se debe aplicar para obtener la corriente nominal con rotor parado es siempre inferior a la nominal. 7. PROCEDIMIENTO Ensayo de vacío El procedimiento por seguir para realizar el ensayo es el siguiente: a) Realizar la conexión representada en la fig. 10.1

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𝑾𝟏 𝐼0

𝑽

𝑨 𝑾𝟐 Fig. 10.1: Esquema de conexión para ensayo de vacío de la máquina de inducción Fuente: (Diaz A. ) b) Se regula la tensión hasta obtener la nominal o una muy cercana a la nominal. c) Se lee: 𝑊1 , 𝑊2, 𝐼0 , 𝑉 con los que ya es posible determinar 𝑅0 y 𝑋0 del circuito equivalente aproximado. Valores leídos 𝑾𝟏 𝑾𝟐 𝑰𝟎 𝑽 d) Evidentemente en vacío “s” es muy pequeño, luego en el circuito equivalente 𝑅2 (1 − 𝑠⁄𝑠) será muy elevada y se puede considerar para efectos prácticos que esta rama del circuito está abierta. e) Por tanto, toda potencia activa de entrada se puede considerar igual a 𝐼0 . En el ensayo de vacío el factor de potencia puede ser menor de 0.5, por consiguiente, una lectura en los vatímetros puede resultar negativa, se debe tener cuidado en la conexión Aron, para detectar correctamente esta circunstancia. El ensayo en cortocircuito o rotor bloqueado El ensayo en cortocircuito o rotor bloqueado se realiza a tensión reducida, con el fin de limitar la corriente a un valor igual a la nominal, si no se hiciera así la corriente sería igual a la de arranque lo cual produciría calentamiento excesivo además de gran dificultad para frenar el motor. Para realizar este ensayo se siguen los siguientes pasos:

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a) Realizar el esquema de conexión de la fig. 10.2 aplicando una tensión reducida e impidiendo el giro del rotor

Fig. 11.1: Esquema de conexión para ensayo de rotor bloqueado de la máquina de inducción Fuente: (Diaz A. ) b) Se lee: 𝑊1 , 𝑊2 , 𝐼𝑐𝑐 , 𝑉𝑐𝑐 con los que ya es posible determinar 𝑅𝑒 y 𝑋𝑒 del circuito equivalente aproximado. Valores leídos 𝑾𝟏 𝑾𝟐 𝑰𝟎 𝑽

1−𝑠 ) 𝑠

c) Evidentemente en cortocircuito s-1, luego en el circuito equivalente 𝑅2 (

será igual a cero y en

cortocircuito 𝐼0 es despreciable, así que: 𝑍𝑒 ≈

𝑉𝑐𝑐 𝐼𝑐𝑐

8. CUESTIONARIO a) Con los datos obtenidos en los ensayos anteriores determine los parámetros del circuito equivalente y a partir del mismo obtenga la corriente de entrada (ensayo vacío) en función del deslizamiento y el rendimiento y deslizamiento para plena carga (ensayo de rotor bloqueado). b) Realice las actividades y cálculos asignados adicionalmente por el guía del curso.

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IDENTIFICACIÓN UNIDAD TECNOLOGIA EN OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ACADÉMICA ELECTROMECANICO ASIGNATURA: LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ll UNIDAD TEMÁTICA MÁQUINA DE INDUCCIÓN PRACTICA 11 MÁQUINA DE INDUCCIÓN COMO GENERADOR COMPETENCIA Utilizar la máquina de inducción para fines de generación eléctrica, conociendo y estableciendo los parámetros y condiciones para realizar dicha práctica, llevando a cabo con éxito esta simulación.

RESULTADOS DE APRENDIZAJE  Conocer el uso, normas y cuidados al momento de utilizar la máquina de inducción como generador.  Utilizar la máquina de inducción como generador  Entender e interpretar los datos obtenidos en la práctica a realizar.  Conocer las condiciones y parámetros a seguir para utilizar la máquina de inducción como generador. ACTIVIDADES

1. REFERENCIAS  Manual máquinas eléctricas II (Diaz A. ).  Instructivo para estudiantes de laboratorio.  Revista de enseñanza universitaria de Sevilla (Burgos, Gonzalez, & Vallejo, 1994).  Máquinas eléctricas (Chapman, 1985).  Máquinas eléctricas (Mora, 2003).  Máquinas eléctricas (Guru & Hirizoglu, 2003). 2. PRECONCEPTOS  Instrumentos de medición (multímetro digital, voltímetro, foto-tacómetro).  Diagrama circular.  Concepto de rotor bloqueado o corto-circuito.  Circuito equivalente máquina de inducción.  Arranque con autotransformador de la máquina de inducción.  Transformadores de corriente. 3. NORMAS DE SEGURIDAD Aplique normas de seguridad descrito en el anexo del manual de seguridad para el laboratorio. 4. CONTENIDO DE LA PRÁCTICA  La máquina de inducción como generador.

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5. EQUIPOS Y MATERIALES UTILIZADOS  Conductores con terminal tipo festo.  Motor de inducción.  Motor de C.C.  Contactores.  Amperímetros.  Voltímetros.  2 vatímetros monofásicos.  Fuente de regulada de voltaje.  Foto-tacómetro o tacómetro.  Protecciones eléctricas.  Banco de condensadores.  Frecuencímetro. 6. MARCO TEORICO Para que una máquina de inducción conectada a la red funcione como generador basta con accionar el rotor, con ayuda de un motor primario haciéndolo girar a una velocidad algo superior en decimales a la de sincronismo. Al estar el devanado estatórico permanentemente conectado a la red, los valores de frecuencia y tensión de la potencia eléctrica producida son los de la propia red. Por tanto, son constantes independientes de la velocidad de giro, lo que hace que los generadores no precisen regulador de velocidad para su motor primario. Esta práctica que se desarrolla en el laboratorio tendrá dos partes. En la primera se hace que la máquina de inducción funcione conectada a la red. Inicialmente arranca y funciona como motor, absorbiendo potencia activa de la red. Luego pasa a funcionar como generador cediendo potencia activa a la misma red. En la segunda parte de la práctica se hace que la máquina de inducción auto-excite, conectando a sus bornes una batería de condensadores y que funcione tanto en vacío como alimentando cargas locales. El esquema para los ensayos de laboratorio, tanto para el funcionamiento de la máquina de inducción conectada a la red (motor y generador) como para el funcionamiento autónomo de cargas locales, se muestra en la figura 12.

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7. PROCEDIMIENTO

Fig. 12: Esquema eléctrico de la máquina de inducción como generador Fuente: (Burgos, Gonzalez, & Vallejo, 1994) Los pasos a realizar en la práctica son los siguientes:  

 



Se cierra el contactor 𝐾1 , para que permita el arranque directo de la máquina de inducción, que empezará funcionando como motor, absorbiendo potencia activa y reactiva de la red de C.A. Una vez estabilizada la velocidad se cierra el contactor 𝐾2 , con lo que se alimenta la excitación de la máquina de C.C, que empieza a funcionar como generador, esta circunstancia puede detectarse mediante el voltímetro 𝑉2 , que empezara a indicar valores no nulos de tensión inducida. Actuando sobre el reóstato 𝑅𝑒 se ajusta la corriente de excitación a su valor nominal, cerrando el contactor 𝐾6 se conecta el reóstato de carga 𝑅𝑐 , ajustándose su valor hasta que el motor de inducción absorba el valor de corrientes nominal. Partiendo del punto indicado, en que la máquina de inducción funciona a régimen nominal arrastrando a la de continua (que funciona como generador), se va aumentando progresivamente el valor de la resistencia del reóstato de carga 𝑅𝑐 hasta llegar a su valor máximo, tras lo cual se desconecta (abriendo 𝐾3 ). En este momento la máquina de inducción llega al punto de funcionamiento en vacío, y en estos momentos el tacómetro deberá mostrar que la velocidad ha ido aumentando hasta llegar

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

 

prácticamente a la de vacío. A continuación, se actúa sobre el reóstato 𝑅𝑒 , hasta conseguir que la tensión generada por la motor de C.C. (𝑉2 ), coincida con la red de continua (𝑉2 ).en ese momento se cierra el contactor 𝐾4 , con lo que se conecta el inducido del motor de C.C. a la red de alimentación en continua, aunque sin tomar corriente (lectura nula del amperímetro 𝐴2 ). A partir de este momento, conforme se va aumentando el valor de resistencia del reóstato 𝑅𝑒 , se reduce la corriente de excitación, por lo que la velocidad del grupo aumenta, como podrá comprobarse por la lectura del tacómetro, llegándose a superar la velocidad de sincronismo. También deberá observarse que la corriente de inducido (𝐴2 ) ha cambiado de sentido y la potencia activa absorbida de la red por la máquina de inducción se hace negativa, invirtiéndose el flujo de potencia, que ahora sale de la máquina de inducción (funcionando como generador) y se dirige a la red. Por el contrario, el sentido del flujo de potencia reactiva no se altera, la máquina de inducción sigue absorbiendo potencia reactiva de la red, aunque funcione como generador.

8. CUESTIONARIO a) Realice las actividades y cálculos asignados adicionalmente por el guía del curso.

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BIBLIOGRAFÍA Y WEBGRAFIA        

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alfonso, l. (s.f.). Laboratorio de máquinas eléctricas II. Bucaramanga. blogspot. (s.f.). Recuperado el 18 de abril de 2018, de http://maquinaselectricaselectro.blogspot.com.co/p/tipos-de-motores-sincronos.html Burgos, m., González, A., & Vallejo, M. (diciembre de 1994). Revista de enseñanza universitaria. Recuperado el 1 de abril de 2018, de http://institucional.us.es/revistas/universitaria/7_8/art_5.pdf Chapman, S. (1985). Máquinas Eléctricas. New York: McGraw-Hill. Díaz, F. (04 de julio de 2014). SlideShare. Recuperado el 20 de abril de 2018, de https://es.slideshare.net/fadkri/presentacin-3-federico-daz-k Guru, b., & Hirizoglu, H. (2003). Maquinas eléctricas tercera edición. México: Oxford University Press. monografias.com. (s.f.). Recuperado el 2 de abril de 2018, de http://www.monografias.com/trabajos94/arranque-motores-asincronicos/arranque-motoresasincronicos.shtml Mora, J. F. (2003). Maquinas Eléctricas Quinta Edición. Madrid, España: McGraw-Hill. mty. (s.f.). Recuperado el 25 de 04 de 2018, de http://www.mty.itesm.mx/etie/deptos/ie/profesores/hnunez/cursos/me/MaterialApoyo/MaqEle c6/home.htm Quiero Apuntes. (s.f.). Recuperado el 10 de abril de 2018, de http://www.quieroapuntes.com/motores-de-corriente-alterna.html Ramírez Tejada, V., & Yengle Mendoza, C. (2013 de septiembre de 10). Slideshare. Recuperado el 10 de abril de 2018, de https://es.slideshare.net/carlosyenglemendoza/laboratorio-3-autotransformador Rodríguez, M. (2017). Personales Unican. Recuperado el 15 de marzo de 2018, de http://personales.unican.es/rodrigma/PDFs/Arranque%20Asincronas.pdf tu veras. (s.f.). Recuperado el 10 de abril de 2018, de http://www.tuveras.com/motorsincrono/motorsincrono.htm