Generador de Inducción Trifásico

IE-0416 Laboratorio de Máquinas Eléctricas I
Guía de Laboratorio
Práctica #11: Motor de Inducción Trifásico
Generador de Inducción Trifásico
Curva Par-Velocidad y Operación Aislada
Curso:
Documento:
Laboratorio de Máquinas Eléctricas I
ie0416.practica #14.2007-2.doc
Elaborado por:
Ing. Mauricio Céspedes Moya
Revisado por:
Horas Lectivas
3
09 ago. 07
Fecha
IE-0416
Sigla:
Ing. Franklin Chinchilla, PhD.
Ing. Gustavo Valverde Mora
Ing. Oscar Núñez Mata
2007-2
Versión
1. El Generador de Inducción Trifásico
Es común pensar que la máquina de inducción puede funcionar únicamente como motor, sin embargo,
posee la capacidad de trabajar tanto como motor como generador, sólo depende de una fuente externa para
la excitación del campo y una velocidad de rotación superior a la sincrónica.
Si el motor de inducción se está operando a una velocidad mayor que la sincrónica gracias a un motor
de impulsión externo, tanto el deslizamiento como el par inducido se vuelven negativos tal y como se
muestra en la Figura 1. Físicamente, un par negativo implica una potencia real generada producto de la
inversión del par inducido. Conforme aumenta el par aplicado al eje de la máquina de inducción, se
incrementa la cantidad de potencia generada, hasta un punto de par máximo de generador, luego del cual
la máquina adquiere una velocidad excesiva.
150
Par inducido
[N·m]
100
Región de motor
Región de generador
50
0
-50
-100
-150
0
500
1000
1500
2000
Velocidad mecánica
2500
3000
3500
4000
[r.p.m.]
Figura 1: Curva Par-Velocidad para una máquina de inducción trifásica de 230 V, cuatro polos, 60 Hz y 12 kW
Escuela de Ingeniería Eléctrica. UCR
1
Departamento de Sistemas de Potencia
IE-0416 Laboratorio de Máquinas Eléctricas I
Guía de Laboratorio
Práctica #11: Motor de Inducción Trifásico
Como generador, una máquina de inducción posee serias limitaciones. Puesto que le falta un circuito
de campo separado, un generador de inducción no puede producir potencia reactiva. De hecho, la consume
y se le debe conectar una fuente externa de potencia reactiva en todo momento para mantener el campo
magnético de su estator[1].
Esta fuente externa de potencia reactiva, tiene la función adicional de controlar el voltaje en las
terminales del generador.
Las grandes ventajas del generador de inducción son su simplicidad constructiva y su pequeño tamaño
por kilowatt de potencia de salida[1]. Los generadores eólicos se favorecen de este hecho y comercialmente
están diseñados para operar en paralelo con grandes sistemas de potencia, suministrando una fracción de
las necesidades de potencia de la carga. En este tipo de operación, el sistema de potencia se encarga del
control del voltaje y de la frecuencia, y se pueden utilizar bancos de condensadores para corregir el factor
de potencia del parque eólico.
1.1
Generador de inducción aislado.
Una máquina de inducción también puede funcionar como un generador aislado del sistema de
potencia siempre y cuando se disponga de la compensación reactiva necesaria para suministrar la potencia
reactiva requerida por el generador y por las cargas añadidas. La Figura 2 muestra un generador de
inducción aislado.
Figura 2: Generador de inducción aislado con un banco de capacitores para suministrar potencia reactiva.
La corriente de magnetización I M que requiere una máquina de inducción en función del voltaje en
sus terminales se puede encontrar si se opera la máquina como motor en vacío y se mide la corriente del
inducido en función del voltaje en los terminales. En la Figura 3a se ilustra una curva de magnetización
como ésta obtenida en el laboratorio para una de máquina de inducción con rotor de jaula de ardilla para
120 VLN, 4 polos y 175 W a 60 Hz. Para lograr cierto nivel de voltaje en un generador de inducción, los
capacitores externos deben suministrar la corriente de magnetización que corresponde a ese nivel de
tensión.
Por otra parte, los capacitores disponibles en el laboratorio de máquinas eléctricas, como elementos
lineales, poseen una característica de voltaje contra corriente que es una línea recta como se muestra en la
Figura 3b para tres posibles valores de reactancia a 60 Hz
Escuela de Ingeniería Eléctrica. UCR
2
Departamento de Sistemas de Potencia
IE-0416 Laboratorio de Máquinas Eléctricas I
Guía de Laboratorio
Práctica #11: Motor de Inducción Trifásico
Figura 3: Característica de voltaje contra corriente reactiva para: a) Un generador de inducción b) Tres Reactancias.
Si se conecta un banco trifásico de condensadores a las terminales de un generador de inducción para
operación aislada, el voltaje en vacío de éste será la intersección de la curva de magnetización del
generador con la línea de carga del capacitor. En la Figura 4 se puede ver el voltaje terminal bajo
condiciones de vacío del motor de la Figura 3a junto a dos de las reactancias capacitivas disponibles en el
laboratorio, 200 ohms y 172 ohms; observamos los posibles valores de voltaje generado por la máquina.
160
140
↑
120
134 V a 0,78 A
104 V a 0,52 A →
100
80
60
40
20
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Figura 4: Voltaje terminal en vacío para un generador aislado a distintos niveles de capacitancia
Debido a la naturaleza de la característica par-velocidad de las máquinas de inducción, es claro que la
frecuencia de un generador de inducción varía con los cambios de carga; pero debido a que la velocidad
varía muy poco en el rango de operación normal, la variación de frecuencia total está normalmente
limitada a menos de un 5%. En [1] se señala que esta variación es aceptable en muchas aplicaciones
aisladas o de emergencia.
Escuela de Ingeniería Eléctrica. UCR
3
Departamento de Sistemas de Potencia
IE-0416 Laboratorio de Máquinas Eléctricas I
Guía de Laboratorio
Práctica #11: Motor de Inducción Trifásico
2. Equipo
•
Fuente de alimentación y cables.
•
Tacómetro de mano.
•
Módulo de adquisición de datos.
•
Amperímetro AC.
•
Motor de inducción trifásico jaula de ardilla.
•
Electrodinamómetro y banda.
•
Dos Módulos de capacitores y uno de resistores.
•
Switch trifásico
3. Procedimiento
3.1
Generador de inducción en un sistema de potencia
1)
Conecte la máquina de inducción en estrella a la fuente de alimentación fija por medio de los tres
amperímetros de M. A. D. y determine el sentido de giro.
2)
Utilice el electrodinamómetro en su función de motor de impulsión y conéctelo a la fuente de
alimentación variable en cc. Hágalo girar en el mismo sentido que la máquina de inducción y a
1800 rpm. Apague la fuente sin disminuir el control porcentual de tensión en la misma.
3)
4)
3.2
Acople mecánicamente el motor de impulsión a la máquina de inducción. Accione la fuente.
Usando el motor de impulsión aumente la potencia mecánica suministrada a la máquina de
inducción y registre la potencia real entregada al sistema así como la velocidad. Calcule la potencia
reactiva que la máquina de inducción está tomando de la red. Grafique la potencia trifásica de la
máquina en función de la velocidad. En el primotor, no sobrepase las 1900 r.p.m. o los 2 N·m.
Generador de Inducción aislado
5)
Desconecte mecánicamente la máquina de inducción del motor de impulsión y desconecte este
último de la alimentación.
6)
Conecte el motor de inducción a la fuente de alimentación y obtenga una curva de magnetización
como la mostrada en la Figura 3a. Para ello, con el motor operando en vacío, realice un barrido
desde la máxima tensión de línea hasta unos 60 VLN. Para todos los puntos debe registrar la tensión
y la corriente consumida, así como el factor de potencia para calcular la corriente reactiva.
7)
Apague la alimentación.
8)
Prepare un banco de capacitores en delta de 600 Ω por fase. Determine con ayuda de la Figura 4
el voltaje terminal que se puede esperar en el generador recordando que ZY =
9)
Z∆
.
3
Con los amperímetros del M.A.D. conecte la máquina de inducción al banco de capacitores.
10) Alimente el motor de inducción sin carga en el eje con la fuente trifásica a 120 V fijos por medio
del switch trifásico y verifique el giro.
Escuela de Ingeniería Eléctrica. UCR
4
Departamento de Sistemas de Potencia
IE-0416 Laboratorio de Máquinas Eléctricas I
Guía de Laboratorio
Práctica #11: Motor de Inducción Trifásico
11) Lleve el motor de impulsión a la velocidad sincrónica de la máquina de inducción con el mismo
sentido de giro.
12) Acople mecánicamente las dos máquinas con la banda y accione el conjunto. Lleve la velocidad a
1820 rpm.
13) Desconecte la máquina de la fuente de alimentación operando el switch trifásico. Ahora la
máquina se encuentra operando en forma aislada con una tensión en terminales predicha en el punto
8), verifique este valor con los voltímetros del M.A.D.
14) Conecte por medio de amperímetros analógicos el generador de inducción a una carga resistiva en
estrella de 1200 Ω por fase. Proceda a disminuir la resistencia y registre la tensión y la corriente;
cuide que la corriente no sobrepase los valores nominales de los equipos e instrumentos.
4. Referencias
[1] Chapman, S.; Máquinas Eléctricas. Cuarta Edición, McGraw-Hill, México, 2005, págs. 460-464.
[2] Gourishankar, V.; Conversión de Energía Electromecánica. Ed. Alfaomega, México, 1975.
[3] Kosow, I.; Máquinas Eléctricas y Transformadores. Segunda Edición, Prentice Hall, México, 1993.
Escuela de Ingeniería Eléctrica. UCR
5
Departamento de Sistemas de Potencia