EL3003_Informe_Generador_Sincronico

Universidad de Chile

Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas

Departamento de Ingeniería Eléctrica

EL3003 – Laboratorio de Ingeniería Eléctrica

Informe Laboratorio Experiencia Electiva

GENERADOR SINCRÓNICO TRIFÁSICO

Integrantes : Sergio Ortega

Matías Eugenin

Profesor : Nelson Morales

Profesor Auxiliar : Sebastián Guerrero

Fecha : 3 de Noviembre del 2010

Santiago, Chile.

Indice

1. Introducción ................................................................................................ 1

2. Marco Teórico ............................................................................................. 2

2.1. Fundamentos del Generador Sincrónico Trifásico ................................................. 2

3. Aplicaciones del generador sincrónico trifásico. .......................................... 5

3.1. Generalidades ..................................................................................................... 5

3.2. Tipos de centrales eléctricas que utilizan generador sincrónico ............................ 5

4. Datos Experimentales .................................................................................. 7

4.1. Características de magnetización del alternador (prueba al vacio) ....................... 7

4.2. Prueba con carga del alternador en régimen óhmico ........................................... 8

5. Análisis de Resultados ............................................................................... 10

5.1. Análisis relativo a la magnetización del alternador sin carga ............................. 10

5.2. Análisis con carga resistiva ................................................................................ 10

5.3. Comentarios generales ...................................................................................... 11

6. Conclusiones ............................................................................................. 12

7. Bibliografía ................................................................................................ 13

EL3003 – Informe Laboratorio – Generador Sincrónico Trifásico

U. de Chile. FCFM. DIE ~1~

Introducción

1. Introducción

Un generador es una maquina cuya función es generar energía eléctrica a través de energía

mecánica. La característica principal del generador sincrónico es que la velocidad del rotor es la

misma del campo magnético rotatorio.

En la actualidad el generador sincrónico trifásico es muy importante en la generación de

energía donde aprovecha los movimientos mecánicos generados por agua, aire o vapores

(generación hidroeléctrica, eólica o térmica).

También se estudiarán los principios básicos de funcionamiento del generador sincrónico para

entender el porqué su relevancia en la utilización de éstos en las centrales eólicas,

hidroeléctricas y térmicas.

En la experiencia de laboratorio se analizara el funcionamiento de un generador sincrónico

trifásico, donde la velocidad motriz se genera con un motor de corriente continua y se analizaran

las curvas características del generador ya sea la curva de magnetización en vacio, o la curva de

generación de electricidad con carga.



Marco Teórico

2. Marco Teórico

2.1. Fundamentos del Generador Sincrónico Trifásico

El generador sincrónico trifásico es una maquina eléctrica que convierte energía mecánica en

energía eléctrica. Los constituyentes de este artefacto a grandes rasgos son: Estator trifásico, rotor

que puede ser rotor de polos salientes o rotor cilíndrico como se puede ver en la siguiente figura:

Ilustración 1. Esquema del Rotor y Estator de una Maquina Sincronica

El principio de funcionamiento de un generador sincrónico radica en el principio de

inducción electromagnético. El rotor del generador consiste en un imán permanente que posee un

campo magnético B constante y se encuentra rotando a una velocidad , lo que induce una

tensión en el estator. La magnitud del campo magnético se puede controlar a través de una

corriente por el rotor la cual, en el caso del generador sincrónico es una corriente continua.

El fenómeno se explica en la siguiente figura:

Ilustración 2. Dibujo de principio de funcionamiento del generador



Marco Teórico

Principalmente a través de la Ley de Faraday, el valor de la tensión inducida en el estator

es la siguiente:

Donde k es una constante que depende del diseño de la maquina, B es la densidad de flujo

magnético generado por el rotor y ω es la velocidad de giro del rotor.

Posteriormente se puede analizar la ecuación que explica el fenómeno al utilizar la

corriente por el rotor, lo cual a través del manejo de las ecuaciones de Maxwell utilizando

inductancias mutuas y propias y algunas aproximaciones para el caso del rotor cilíndrico se tiene la

siguiente ecuación:

Esto deriva en un modelo de circuito para el generador sincrónico de rotor cilíndrico que

permite su análisis el cual es el siguiente:

Ilustración 3. Modelo simplificado del generador sincrónico

El generador sincrónico puede estar acoplado o desacoplado a la red. Si es desacoplado se

tiene que la frecuencia del voltaje inducido en el generador es igual a la velocidad angular del

rotor. De esta manera si se desea obtener una frecuencia de 50 [Hz] el rotor girara a 50*60= 3000

[RPM]. Esta velocidad es muy elevada para el caso de darle impulso al eje del generador a través

de una turbina hidráulica, por lo que al rotor se le aumenta el número de polos de manera que la

velocidad rotatoria disminuya, de esto se obtiene la siguiente relación:

Donde f es la frecuencia eléctrica, n es la velocidad de giro en RPM, p es el número de

polos.



Marco Teórico

En el caso en que el generador este acoplado a la red, el valor de la frecuencia de las

tensiones y corrientes generadas quedan determinadas por la red, al igual que la velocidad de

giro. De esta manera la velocidad de giro quedara determinada por el número de polos que tenga

la maquina:

De donde se tiene que f es la frecuencia eléctrica de la red (que en el caso de Chile es de 50

[Hz], p es el numero de polos y n es la velocidad a la cual girara el eje.



Aplicaciones del generador sincrónico trifásico.

3. Aplicaciones del generador sincrónico

trifásico.

3.1. Generalidades

Debido a las numerosas ventajas de los sistemas trifásicos en los sistemas de potencia que

permiten la generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica es bueno analizar qué

ventajas pueden permitir el uso de generadores sincrónicos en la generación de esta energía

eléctrica. El movimiento de algunas energías renovables (como por ejemplo la eólica o la

hidráulica) explican la relevancia del generador sincrónico en estos sistemas de potencia. Además

se puede considerar la utilización de los vapores que se utilizan en las centrales térmicas.

3.2. Tipos de centrales eléctricas que utilizan generador sincrónico

Dentro de las plantas generadoras de energía que utilizan el generador sincrónico se puede

mencionar:

3.2.1 Central hidroeléctrica:

En una central hidroeléctrica se aprovechan las diferencias de potencial generada por

distintas alturas que generan movimiento de flujos de aguas, el cual permite el movimiento de las

turbinas hidráulicas. Estas turbinas son las que generan el movimiento del rotor, que

posteriormente se transforman en la energía eléctrica que se obtiene con el generador sincrónico.

Utiliza gran numero de polos ya que las velocidades que se utilizan son de 300- 350 [RPM]

Ilustración 4. Turbina hidráulica y generador sincrónico



Aplicaciones del generador sincrónico trifásico.

3.2.2 Central eólica

La energía eólica es la que se aprovecha a partir del movimiento de masas de aire (viento) para

producir energía eléctrica. Se utilizan aerogeneradores, con un principio de funcionamiento similar

a los molinos de viento. El viento genera movimiento en una turbina eólica que es la que sirve para

generar el movimiento en el rotor, el cual induce el flujo en el generador sincrónico del cual se

obtiene la energía eléctrica.

Ilustración 5. Esquema de la turbina eólica para la generación.

3.2.3 Central termoeléctrica.

Es una instalación que transforma energía calórica en eléctrica. El calor puede ser obtenido a partir

de combustión o de fisión nuclear. La forma más típica de estos generadores es una caldera en la

que se quema combustible, cuyo calor generado se emplea para transportar agua, que

posteriormente es transformada a vapor, el cual impulsa una turbina de vapor, la que finalmente

acciona el movimiento del rotor del generador sincrónico. Generalmente usan solo 2 polos,

velocidades de 1500-3000 [RPM]

Ilustración 6. Rotor de turbina termoeléctrica



Datos Experimentales

4. Datos Experimentales

4.1. Características de magnetización del alternador (prueba al vacio)

El objetivo de esta experiencia es obtener la curva de caracterización de la magnetización del

alternador, por lo tanto se implementó el siguiente circuito trifásico:

Ilustración 7. Esquema de conexión del motor y del generador para prueba en vacio

En la experiencia se utilizó sólo un voltímetro para calcular el voltaje fase neutro ya que el

resto son iguales debido a que el sistema trifásico es equilibrado y la frecuencia de giro se calculo

con un velocímetro el cual daba la velocidad en RPM.

Dentro del circuito se varió Rcm y Rca para mantener constante la frecuencia del motor y

de esta forma tener la tensión generada en función de la intensidad de corriente de excitación

(fuente de corriente continua) del generador, dando como resultado la siguiente tabla:

Tabla 1: Frecuencia 2520 RPM Tabla 2: Frecuencia 2630 RPM

Tensión fase-neutro[V] Corriente [mA]

Tensión fase-neutro[V]

Corriente [mA]

52.7 290 51.8 290 54.1 300 53.8 300 55.8 310 55.7 310 57.6 320 57.8 320 61.2 330 59.2 340 62.4 340 61 350 66 350 62.6 360

69.3 360 64.4 380 72.2 370 66.3 400 75.5 390 69.5 420




De los resultados se obtiene el siguiente grafico de la curva de magnetización para

distintas velocidades de giro:

Ilustración 8. Grafico de la curva de magnetización en vacio para diferentes frecuencias.

4.2. Prueba con carga del alternador en régimen óhmico

El objetivo es observar el comportamiento del generador como fuente de energía eléctrica, frente a diferentes tipos de carga. Esto se cuantifica midiendo voltaje fase-fase, corriente en la carga y la corriente de campo, cuando la frecuencia se mantiene relativamente constante. Además se deben medir los valores de potencia y corrientes de línea. Por lo tanto se implementó el siguiente circuito:

Ilustración 9. Esquema de conexión del motor y generador para la prueba con carga




De manera similar a la primera experiencia, aprovechando que el sistema equilibrado la medición de datos se hizo solamente para algunas fases, ya que los voltajes en las otras fases son iguales. Para medir la potencia se utilizo el método de los dos wáttmetros, el cual dice que la potencia activa trifásica es la suma de los valores medidos por los dos wáttmetros en la conexión que se expresa en la figura.

Los resultados obtenidos son los siguientes:

Voltaje fase-fase [V] Corriente carga[A] Corriente línea[A] Potencia[W]

110.8 0.35 1.221 64 101.9 0.35 1.220 56 92.4 0.35 1.222 48 84.4 0.35 1.216 46.4 70.9 0.35 1.222 44.4 58.6 0.35 1.215 34 45.4 0.35 1.217 32 33.6 0.35 1.214 16.8

Tabla 1 : Tabla de datos con frecuencia 2100 rpm

De esta tabla podemos realizar un gráfico voltaje fase-fase vs potencia, para poder

ejemplificar el efecto del aumento de la carga en el funcionamiento del generador:

Ilustración 10. Grafico de Potencia vs Voltaje fase-fase en función de la carga

0

10

20

30

40

50

60

70

0 20 40 60 80 100 120

Po

ten

cia

[W]

Voltaje fase-fase [V]

Potencia vs Voltaje Fase-Fase



Análisis de Resultados

5. Análisis de Resultados

5.1. Análisis relativo a la magnetización del alternador sin carga

Se observa en la figura 4 una relación lineal entre el voltaje fase-neutro del generador y la

corriente de excitación del rotor. Esto se puede explicar como que en el modelo del generador

sincrónico, la curva en vacio esta dada por la zona lineal de la curva de histéresis para el

generador. Seguramente si se habría hecho el experimento de ir disminuyendo la carga del

reóstato que regulaba la corriente de excitación, se habría observado valores distintos de voltaje

ya que debido al carácter magnético del generador habría ocurrido el fenómeno de histéresis.

De todas maneras la forma en que se trabajo para poder obtener la curva es que había que ir

manteniendo la velocidad sincrónica constante (al ir variando la corriente que alimentaba al

motor de manera de ir fijando la velocidad de giro constante).

5.2. Análisis con carga resistiva

En el análisis con carga se utilizo una carga resistiva trifásica equilibrada. Por lo que los valores

de voltaje y corriente de línea calculados para una fase se pueden extrapolar a las fases que no se

calcularon ya que serian iguales a los valores obtenidos experimentalmente (esto se debe al

carácter equilibrado del sistema trifásico).

Se puede observar que la corriente de línea, si bien se tienen algunas pequeñas variaciones, se

mantenía relativamente constante. De este resultado se obtiene una relación lineal entre el

tamaño de la carga con el voltaje fase-fase que se obtiene del generador. Esto es que a medida

que se aumentaba la carga, el valor del voltaje decaía y de igual manera lo hacia el valor de la

potencia.

Esto se puede observar utilizando la relación que existe entre la potencia y el voltaje cuando la

carga es resistiva, donde se tiene que P= V2 /Z. De ahí observamos que a medida que el valor de la

carga iba aumentando, a medida que disminuía el voltaje también disminuía la potencia. El

porque de la caída en el voltaje es que debido a que la carga aumentaba, la caída de tensión en la

carga hacia que la tensión generada entre fases disminuyera, porque se tenia que equilibrar el

voltaje generado ya que se estaba trabajando a una misma velocidad sincrónica siempre y se

mantenía la misma corriente de excitación en el momento de realizar el experimento.



Análisis de Resultados

5.3. Comentarios generales

Como se describió anteriormente, las principales dificultades que se enfrentaron en el

laboratorio fue particularmente el mantener la velocidad constante de manera de obtener los

datos que se requerían. Si analizamos como funcionaria un generador sincrónico conectado a una

red, esta velocidad se mantiene constante.

Esto permite concluir que la maquina sincrónica debe tener algún sistema de control en la

corriente de excitación, que permita que el eje del rotor gire a una velocidad síncrona que esta

dada por la red. Este fenómeno en condiciones nominales de la maquina no requiere mucho

estudio, pero en condiciones anómalas es necesario analizar la estabilidad del sistema frente a

perturbaciones (por ejemplo fallas de corto-circuitos o de fases abiertas) y analizar si es que esta

maquina puede mantener el sincronismo y seguir funcionando como corresponde para no afectar

su vida útil.



Conclusiones

6. Conclusiones

En este laboratorio se pudo comprender la importancia en el funcionamiento de los

generadores sincrónicos en las redes de electricidad de los sistemas eléctricos. Esto es el como se

aprovechan algunos fenómenos naturales y/o artificiales como flujos de agua, viento o turbinas a

vapor entre otras, para la generación de energía eléctrica.

Se logro entender el principio de funcionamiento que es básico para cualquier maquina

eléctrica y las condiciones que debe tener una maquina sincrónica para su funcionamiento, que

es principalmente que a la velocidad que funciona toda la maquina es a la velocidad síncrona, que

esta determinada a veces por la red, si es que la maquina esta acoplada, o por la velocidad que se

quiere alcanzar, todo esto se puede ir controlando a medida de que se agregan pares de polos en

la maquina de manera de alcanzar velocidades menores, según el tipo de flujo que se utilice para

movilizar el eje del rotor.

Finalmente se obtuvieron las curvas características ya sea la curva de magnetización en vacio,

o el comportamiento del generador con una carga resistiva. Se obtuvo la característica lineal de la

curva de histéresis para la curva en vacio y se verifico el como aumentar la carga (aumentar el

consumo) significa perdida de potencia activa y de caída de tensión. También se analizaron los

posibles problemas que puede generar el mantener la maquina a una velocidad sincrónica para

que su funcionamiento sea el correcto.



Bibliografía

7. Bibliografía

[1] Guía de generador sincrónico trifásico experiencia electiva curso EL3003 Primavera 2010. [2] Apunte de Conversión Electromecánica de la Energía: Luis Vargas. Capitulo 7 “Máquinas

Síncronas. [3] http://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_de_energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_de_energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica

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