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FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICAFACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICAUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICAFACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICAINFORME FINAL - Ensayo N°3: El generador síncron...

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

INFORME FINAL - Ensayo N°3: El generador síncro en operación CURSO:

LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS III.

CÓDIGO:

EE243

SECCIÓN:

“N”

PROFESORES:

GUTIERREZ PAUCAR AGUSTIN



MEDINA RAMIREZ JOSE INTEGRANTES: Moisés Peralta Rojas

20152092J

Luis Rodrigo Castro Herrera

20142153F

Luis Martin Llanos Llontop

20142644J

Juan Antonio Vela Correa

19977212D

Ch i ti

20141348H

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P

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

Experiencia Nº 3: EL GENERADOR SÍNCRONO EN OPERACIÓN Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad Nacional Nacional de Ingeniería Lima, Perú

INTRODUCCIÓN En este experimento, utilizaremos el Grupo Brown Boveri, que simula a una pequeña cen Motor Motor Schrage, Schrage, como como elementos elementos principales, principales, el el motor motor se se usará usará como como carga, carga, para para estud estu principales proble problemas mas en la operación de un un generador síncrono.

I. OBJETIVO:  Estudiar de forma práctica a los

principales problemas de operación sincrónica y algunos dispositivos de regulación automáticos, característicos de pequeñas centrales.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO: 1. Motor SCHARGE: El motor Schrage es esencialmente una combinación de motor de inducción de rotor bobinado y convertidor de frecuencia. Es una máquina que se utiliza para el control de velocidad. Puede regular dentro de ciertos límites, esto se consigue con la introducción de una f.e.m. adicional en el circuito secundario de la máquina de inducción, la cual debe tener orientación con respecto a la f.e.m. principal. Consideramo Consideramoss que el voltaje adicional introducido debe ser de la misma frecuencia que la f.e.m. principal. La introducción del voltaje adicional se hace a través de escobillas cuya posición indica la intensidad de esta f.e.m., así como también la orientación con respecto a la f.e.m. principal, obteniéndose para el caso de un voltaje en oposición introducido una

proporciona al primario con la ayu anillos colectores. El devanado secu sec está en el estator. Aparte de la prima secundaria, existe un tercer tipo de bo denominado bobinado terciario qu conectado al conmutador. El primar prima terciario terciario están alojados en las ranuras del rotor y se acoplan mutua Los terminales del devanado secu sec están conectados al conmutador a tr tres conjuntos de cepillos móviles B1 B2 y C1 C2. La posición del cep ce puede cambiar mediante una rueda p en la parte trasera del mot desplazamiento angular entre los c determina la fem inyectada en el de secundario que se requiere para cont velocidad y el factor de potencia.

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2. Principio de F Funcionamiento: uncionamiento: En condiciones de parada debido a las corrientes de tres fases que fluyen en el devanado primario, se produce un campo giratorio. Este campo giratorio corta el secundario con una velocidad síncrona n. Por lo tanto, de acuerdo con la Ley de Lenz, el rotor girará en una dirección para oponerse a la causa. Por lo tanto, el rotor gira en dirección opuesta a la dirección de rotación del campo de rotación síncrona. Ahora el campo del espacio de aire está girando a la velocidad de deslizamiento n s n r con respecto al secundario. Por lo tanto, la fem recogida por los cepillos estacionarios tiene una frecuencia de deslizamiento y, por lo tanto, es adecuada para la inyección en el secundario.

3. Control de Velocidad:

después, luego de que haya cubie desplazamiento desplazamiento angular de ρ grados tanto, el fasor - E j en este caso se re fasor - E j en el caso b en un ángul diagrama de fasores para los dos c muestra a continuación.

Fig3: Diagram Diagramas as fasoriales.

5. Características de los generadores síncronos bajo baj La diferencia de funcionamiento en v

Esto es posible variando la fem inyectada en el motor, que puede controlarse cambiando el desplazamiento angular entre los dos cepillos. Para comprender el control de velocidad del motor Schrage, entendamos el control de velocidad en WRIM utilizando el método de inyección de fuerza electromotriz.

4. Control del factor factor de de potencia:

de carga es que existe una composi flujos, debido a las corrientes que circ el inducido, éstas alteran el valor y fo f la tensión inducida. Un incremento de carga es un increm la lapotencia potencia real o la reactiva sumi por el generador generador.. Tal increme incremento nto d aumenta la corriente tomada del del gen Si no cambiamos la resistencia de ca corriente de campo se mantiene const por tanto, el flujo (ttambién ambién es consta Además, si el motor primario mantuv mantu velocidad (cconstante, onstante, la magnitud del de

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b) Carga resistiva 

a) Carga inductiva pura  En este caso los flujos aparecen en sentido contrario. Produciendo un efecto desmagnetizante, es decir que los flujos se restan; y además produciendo que los polos inducidos de igual nombre estén enfrentados.

El flujo producido por los polos del ro y el producido por las corrient inducido están desfasado desfasados. s. Genera una distorsión del campo resultante.

Fig. 7: Esquema Esquema del GS y de desfasaje sfasaje d

Fig. 5: Esquema Esquema del GS y re resta sta de flujos flujos supongamos que colocamos una carga con una f.d.p. en atraso y le adicionam adicionamos os otra con el mismo f.d.p.; podemos observar que el valor de

aumenta

pero mantiene el

Si tuviéramos un generador síncro una carga resistiva, le aplicamos otra mismo f.d.p. (f.d.p.=1), y teniendo en las las mismas mismas restricciones que en anterior, podemos observar en el di fasorial que ligeramente.

el el

valor

de

mismo ángulo de desfase con respecto a entonces tenemos un incremento en el valor de que como ya dijimos antes, debe conservar el mismo ángulo de desfase con respecto a y ya que el valor de constante, entonces se produce

es una

disminución en el valor de tal como se muestra en el si siguiente guiente diagrama fasorial.

Fig. 8: Diagrama Diagrama fasorial de dell GS con con Resistiva Resistiva

c) Carga capacitiva pura  En este caso los flujos tienen igual s Dando como consecuencia un magnetizante, es decir que los flujos a sumar; y los polos inducidos con enfrentados.

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Del mismo modo que en los casos anteriores, si colocamos una carga con f.d.p. en adelanto, y le agregamos otra con el mismo f.d.p. notamos que el valor de se incrementa realmente, es decir se produce un aumento de la tensión en sus terminales, tal como vemos en el diagrama fasorial.

2160-600-400

RPM,

3

8/2.2/HP.  ALTERNADOR ALTERNADOR N°:85627J, N°:85627J

600/1680, V:115/320, 3.75 k  Estroboscopio digital 0-1250

FLASHExmin  Carga trifásica resistiva de 2

Amp.  Plano de instalación.  Extensión trifásica de 0-50 A  Pinza Amperimétrica digit

Amp.

Fig.10: Diagrama Fasorial del GS con Carga Capacitiva Capacitiva

d) Carga R-L En este caso los flujos están desfasados un ángulo que depende de la carga del generador; en consecuencia, se produce un efecto desmagnetizante, desmagnetizante, la suma suma vectorial de de los flujos es menor; y los polos de igual nombre enfrentados, se rechazan apareciendo un momento resistente.

Fig 11: Esquema Esquema del del GS y suma vectorial vectorial de flujos flujos

III. ELEMENTOS A UTILIZA UTILIZAR: R:  Grupo Grupo BROWN BOVERI  Generador 176-264V, 66Amp, 3phi,

40 60 Hz Cosφ Cosφ 0 8 20 30kVA

IV. PROCEDIMIEN PROCEDIMIENTOS: TOS: 



RECONOCIMIENTO EQUIPO.

Antes de poner en marcha el sistema Boveri, se debe tomar nota lo siguien  La

estructura general instalación a partir partir del diagr diag conexiones (planos de iinstal nstal  Las características de cada m (datos de placa) y su función del conjunto.  La conexión de los regulador es, a que variable son sens sobre que variable actúan. 



OPERACIÓN OPERACIÓN INDUCTIVA.

CON CON C C

Poner en marcha el sistema ajusta frecuencia a 60Hz y la tensión a 220 generador síncrono. Con el interruptor de salida del gen ge síncrono abierto conectar al SCHARGE l b d

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A estas condiciones cerra el interruptor para para alimentar la carga, observando simultáneamente los transitorios transitorios de frecuencia y tensión del generador y los repuestos de los rreguladore eguladores. s.

OPERACIÓN OPERACIÓN RESISTIVA. 



R=24ohm





R=40ohm

CON CON

C C

Es necesario medir la corriente de arranque y los valores mínimos de tensión y frecuencia que se alcanzan, asimismo el corriente estable asumido por la carga. Observar nuevamente el fenómeno para otros 2 valores menores de corriente de arranque.





OPERACIÓN OPERACIÓN RESISTIVA.

CON CON

CARGA CARGA

Conectar Conectar la carga resistiva trifásico al generador síncrono y repetir los pasos anteriores con 10 y 20 Amp de línea.

IV. RESULTADOS EXPERIMENTALES: RECONOCIMIEN RECONOCIMIENTO TO DEL EQUIPO.

OPERACIÓN OPERACIÓN CON CON CARGA CARGA RL. RL. 

Plano de instalación Brown-Boveri.



Θ=0°



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



Θ=20° Θ=20° antihorario. antihorario.

Diagrama de un controlador de ten típico Después de modelar los elementos de d figura anterior, se tiene:

La tensión bajo hasta 140V 





Θ=20° Θ=20° horario. horario.

Diagrama de bloques. Cuya función de transferen transferencia cia es:

Aplicando el teorema de valor final, una entrada Vref en escalón:

55 = () = →0

La tensión bajo hasta 110V

VI. CUESTIONA CUESTIONARIO: RIO:

1. ¿Cómo lograría Ud. que el regulador mantenga la tensión a 230 V? (Señale todas las las soluciones posibles). posibles).

 ∗  ∗  ∗ 1 +  ∗  ∗ 

Se observa que el valor en estado estacionario de la tensión en bornes dependerá de Ka, KE, Kg, Kr.

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2. SE ÑA L A R D DE E QUE PA PAR R Á ME TR OS DEPEND EN:

2.1 El tiempo de estabilización de respuesta. 2.2 El máximo error estático (o error estable). El tiempo de establecimiento: es el tiempo que demora la respuesta del sistema para estabilizarse dentro de un cierto porcentaje (aproximadamente 2%) de la amplitud de entrada. Dependen de:  Velocidad de respuesta del regulador.  La resistencia, la inductancia de campo y armadura del generador DC. Sabemos que la excitatriz del generador que utilizamos en en esta experiencia está constituida principalmente por un Generador de Corriente Continua en Derivación Auto excitado. Por lo ttanto, anto, para poder determinar cómo influyen los parámetros en el tiempo de estabilización y en el máxim máximo o error estático de la respuesta, se debe comenzar haciendo un modelo respectivo del generador DC Teniendo presente asumir en todo momento que la velocidad angular aplicada a este generador es constante.

La ecuación de la tensión en el bobin excitatriz es:

La tensión en el inductor es:

Con dichas ecuaciones modelaremos comportam comportamiento iento del generad generador or de co continua, a continuación, se muestra diagrama de bloques de este proceso

Después de haber modelado la excita procedemos procedemos a describir eell comportam del Generador Síncrono, es decir, en su función de transferencia, para así incluirlo en el diagrama de bloques y función de transferencia de la corrien

Dividiendo ambas ecuaciones tenem

De este bloque podemos decir:

R

l

d

l

ió

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Máximo error estático: de la teoría d control sabemos que el error estático definido de la siguiente ecuación. Reemplazando tenemos: De la ecuación general de transferen tenemos:

Llevando la ecuación a la forma: De la teoría de control sabem sabemos os que el tiempo de respuesta de un sistema está dado por las raíces de la ecua ecuación ción caract característica. erística. Para el sistema dado la ecuación característic característicaa está dada por:

Dónde:

Además, sabemos que para este tipo de sistemas podemos definir la respuesta

Identificando la ecuación de error de estacionario ttenemos. enemos.

De este resultado sacamos como con que el error estático depende de la velocidad angular Wo, la resistencia devanado de excitación Rfg, la resist de armadura y de campo del generad corriente continua. 

3. ¿Cómo lograría Ud. reducir las oscilaciones en la tensión producid consecuencia de un cambio brusco carga?

como:

Reemplazando tendríamos:

Como pudimos observar en la pregun existen oscilaciones oscilaciones significativas significativas en tensión del generador. Para eliminar oscilaciones de tensión se debe insta estabilizador de del sistema de excita esto hace que la estabilidad relativa s incremente, como se indica en el sigu diagrama:

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control II, además este tipo de contro más práctico de implementar debido sencillez.

Diagrama de bloques de un regulador de tensión compensad compensado. o. Se debe ajustar kf y Tf apropiadamente antes de implemen implementar tar el estabilizador.

Respuesta de la Tensión en bornes. Se puede observar en la gráfica que ya no existen oscilaciones significativas, pero todavía se conserva un error de estado estacionario.

Los gobernadores están provistos de controladores con las acciones de con PID. Estos permiten la posibilidad de grandes velocidades de respuesta. La derivativa derivativa es es particularmente particularmente útil útil par par caso de sistemas aislados con pl planta antas tienen valores altos de constante de t del agua (más de 3 s). Un juego típic valores puede ser: KP= 3, KI= 0.7 y 0.5. Es importante mencionar que el alta ganancias KDpuede provocar ex oscilaciones y hasta inestabilidades, la unidad de generación está conecta sistema interconectado con una impe externa muy pequeña; en estos casos ganancia se ajusta en cero. Las otras ganancias se ajustan para reproducir valores deseados de estatismo transit “reset time”. time”.

4. 4. ¿Cómo ¿Cómo modificaría modificaría Ud. Ud. la la instalación instalación para mejorar mejorar la regulación automática de frecuencia? El grupo BROWN BOVERI instalado en el Laboratorio de Electricidad N°6 carece de una regulación automática de frecuenc frecuencia, ia, debido a que esa parte del grupo esta inoperativo por lo que las regulaciones hechas en la presente experiencia fueron de carácter manual realizando mediciones con los instrumentos proporcionados para la experiencia. Para resolver esta dificultad de la regulación automática tendríamos que

Diagrama de bloques del gobernador

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V.CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES El modelamiento de los componentes de un sistema de excitación y regulación de tensión permite conocer en qué influye cada parámetro de los compone componentes ntes del sistema en la respuesta dinámica dinámica.. Cabe destacar que el sistema no cuenta con reguladores de frecuencia por lo que se debía realizar esta regulación de forma manual. Se observo que, al conectar cargas resistivas e inductivas al sistema de generación, se produce una caída de tensión (hasta de 100 V) y frecuencia, que podría causar una perdida de sincronismo en caso existan varios generadore generadoress interconecta interconectados. dos. Es debido a este motivo que se utilizan reguladores automáticos de tensión y de frecuencia, ya que en un sistema de potencia real las cargas entran y salen de servicio constantemente. El error en estado estable depende de las ganancias de los componentes del sistema de excitación y regulación de tensión. Para regular el error en estado estable se debe accionar el amplificador, ya que, a más ganancia, menor será el error.  Para disminuir las oscilaciones de tensión del generador síncrono, se debe implementar un estabilizador que conecte la salida del excitador con la entrada del regulador. El control derivativo ejerce una función amortiguante sobre la respuesta al al sistema y permite mejorar la respuesta dinámica del sistema. El controlador PID es una buena opción para controlar fácilmente la regulación de la frecuencia frecuencia en una central eléctrica, debido a su fácil diseño.

[2] [2]Fuente Fuente del navegador: https://www.electrical4u.com/schra

[3] [3]Hadi Hadi Sadaat, “Power Systems Systems An [4] [4]K. K. Ogata, “Ingeniería de Control [5] [5]Guia Guia del laboratorio de Máquina eléctricas III. [6] [6]Apuntes Apuntes del curso.

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