Prueba de Circuito Abierto y Cortocircuito de los Generadores Sincrónicos

Introducción

Las máquinas de corriente continua y de inducción tienen un amplio rango de aplicaciones industriales tales como tracción, bombeo, control y otros. Sin embargo, la operación del sistema eléctrico de potencia requiere la conversión de grandes cantidades de energía primaria (petróleo, gas natural, agua, carbón, uranio), en energía y potencia eléctrica. La energía eléctrica puede ser transportada y convertida en otras formas de energía en forma limpia y económica. La máquina sincrónica es hoy por hoy, la más ampliamente utilizada para convertir grandes cantidades de energía eléctrica y mecánica.

Es por lo cual se realiza los estudios respectivos a las pruebas de circuito abierto y cortocircuito a los generadores sincrónicos, están pruebas también son conocidas como ensayo, y sirven para determinar la tensión interna generada por una corriente de campo dada.

La prueba en cortocircuito brinda información acerca de las potencialidades de corriente de un generador síncrono. Se lleva a cabo impulsando el generador a su velocidad nominal, con las terminales del devanado de la armadura en cortocircuito.

Por otra parte también se hace referencia grafica a los diagramas y circuitos equivalentes de estas dos importantes pruebas que se le realizan a los generadores sincrónicos, como lo son la prueba de cortocircuito y de circuito abierto.

PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR LA PRUEBA DE CIRCUITO ABIERTO Y CORTOCIRCUITO DE LOS GENERADORES SINCRÓNICOS

• Prueba de Circuito Abierto

La prueba a circuito abierto, o prueba sin carga consiste, en colocar el Generador en vacío, es decir sin carga alguna en sus bornes, haciéndola girar a su velocidad nominal y con corriente de campo igual a cero. Al ir aumentando gradualmente el valor de la corriente de campo, se obtienen diversos valores de y ya que la corriente que circula por la armadura siempre será cero debido que se encuentra en vacío, se obtendrá que Gracias a ésta prueba, con los valores obtenidos, se puede formar "La curva de Características de Vacío" que permite encontrar la tensión interna generada por una corriente de campo dada.

La prueba de circuito abierto se lleva a cabo con los terminales de la máquina desconectada de cualquier circuito externo. El procedimiento de la prueba básica es:

• Abra el circuito de los terminales del generador

• Llevar la máquina a la velocidad síncrona mediante un sistema mecánico externo

• Poco a poco aumentar la intensidad de campo y medir la tensión abierta en los bornes

Como no hay corriente en la armadura, la tensión en los bornes de medida es la tensión inducida:

Si la máquina está conectada en estrella, la tensión de medida será un voltaje línea a línea y la tensión inducida por fase se puede encontrar en:

Técnicamente esta prueba se efectúa impulsando el generador a su velocidad nominal al tiempo que se deja abierto el devanado de la armadura. La corriente del campo se varía en pasos apropiados y se registran los valores correspondientes del voltaje a circuito abierto entre dos pares cualesquiera de terminales de los devanados de la armadura.

Diagrama del circuito para realizar una prueba de circuito abierto.

La corriente del campo puede aumentarse hasta que el voltaje a circuito abierto sea el doble del valor especificado. De los datos registrados para el voltaje a circuito abierto es posible calcular el voltaje por fase (circuito abierto). Cuando se grafica el voltaje por fase (circuito abierto) como función de la corriente de campo, se obtiene una gráfica llamada característica (curva) de saturación a circuito abierto (CCA).

La CCA sigue una relación en línea recta en tanto el circuito magnético del generador síncrono no se sature. Debido a que en la región lineal el entrehierro consume la mayor parte de la FMM, la recta recibe el nombre de línea del entrehierro. A medida que la saturación se establece, la CCA comienza a desviarse de la línea de entrehierro.

Corriente De Campo

• Prueba de Cortocircuito

Como su nombre indica, la prueba de corto circuito se lleva a cabo con los terminales de la máquina de un cortocircuito, consiste en llevar nuevamente la corriente de campo a cero, para luego cortocircuitar los bornes del generador y proseguir a ir incrementando la corriente de campo. El procedimiento de ensayo básico es como sigue:

• Establezca el campo actual a cero

• Un cortocircuito en los terminales de la armadura

• Accionar el generador a la velocidad síncrona con el sistema mecánico externo

• Poco a poco aumentar el devanado de campo en curso hasta que la corriente de corto circuito de la armadura alcanza el valor nominal de diseño

La prueba en cortocircuito brinda información acerca de las potencialidades de corriente de un generador síncrono. Se lleva a cabo impulsando el generador a su velocidad nominal, con las terminales del devanado de la armadura en cortocircuito.

Diagrama del circuito para ejecutar una prueba de cortocircuito.

Técnicamente esta prueba se efectúa colocando un amperímetro en serie con una de las tres líneas en cortocircuito. Se incrementa gradualmente la corriente de campo y se registra el valor correspondiente de la corriente a corriente máxima de la armadura en cortocircuito, no debe exceder el doble de la corriente especificada del generador. Con base en los datos registrados se calcula la corriente por fase en el cortocircuito. Cuando esta última se grafica como función de la corriente del campo, la gráfica se llama característica en cortocircuito (CCC) de un generador. Por razones prácticas, la CCA y la CCC se trazan en la misma gráfica, Puesto que el voltaje en las terminales en condiciones de cortocircuito es igual a cero, el voltaje por fase generado debe ser igual a la caída de voltaje a través de la impedancia síncrona.

Características de la prueba de circuito abierto y cortocircuito

• Características de la Prueba de Circuito Abierto

El primer dato se toma cuando la corriente de campo que corresponde al valor de la tensión residual. Posteriormente la corriente de campo se va incrementando gradualmente y progresivamente con el reóstato R, tomando lecturas de la corriente de campo y del votaje de almadura hasta llegar al 120% del voltaje nominal. Con esta información se construye la característica de saturación en vacío.

Se observa en la curva característica de vacío, la linealidad que se presenta para corrientes de campo bajas, pero a medida que la corriente de campo empieza a aumentar se acerca a la zona de saturación.

Entre algunas ventajas que presenta este ensayo se encuentran: la facilidad en su implementación, además de ser una prueba que no ocasiona daños a la máquina.

• Características de la Prueba de Prueba de Cortocircuito

Al encontrarse el generado sincronico girando a velocidad nominal con los terminales cortocircuitados, a medida que varia la resistencia de campo R, se toma en forma simultanea, las lecturas de las corrientes de armadura y de la corriente de campo Normalmente se toman datos para el 25%, 50% 75%, 100% y el 125% de la corriente nominal de armadura

La prueba de circuito cortocirccuito puede realizarce facilmente, ya que para su implementacion no se necesitan equipos costosos ni de dificil consecusion.

CIRCUITO EQUIVALENTE Y DIAGRAMA FASORIAL DE LA PRUEBA DE CIRCUITO ABIERTO Y CORTOCIRCUITO

• Prueba de Circuito Abierto

Circuto Equivalente de la Prueba de Circuito Abierto

Diagrama Fasorial de la Prueba de Circuito Abierto

• Prueba de Cortocircuito

Circuto Equivalente de la Prueba de Cortocircuito

Diagrama Fasorial de la Prueba de Cortocircuito

Relación de cortocircuito y circuito abierto

Con la prueba de vacío y cortocircuito se pueden determinar las reactancias saturadas de eje directo y la reacción no saturada de eje directo

Para determinar las reactancias saturadas de eje directo se utiliza la siguiente ecuación:

Según la ecuación anterior, la reacción no saturada de eje directo se obtiene tomando el voltaje nominal de armadura de la curva característica de circuito abierto para una corriente de campo y la corriente de armadura de la curva de característica de cortocircuito, para esta misma corriente

Para determinar la reactancia saturada de eje directo se parte de la característica de saturación de vacío y de la característica en cortocircuito tal como se muestra en la siguiente ecuación:

Según la ecuación anterior, la reactancia saturada de eje directo se obtiene tomando el valor de corriente de campo que corresponde a la corriente nominal de armadura en la curva de cortocircuito y la corriente de campo que corresponde al voltaje nominal de armadura de la curva de vacío.

EJEMPLO DE LA PRUEBA DE CIRCUITO ABIERTO Y CORTOCIRCUITO. (Circuito Equivalente y Diagrama Fasorial)

Un generador sincrónico trifásico de 36KVA, 220/380V, 50Hz, 1000rpm, cuya resistencia de inducido vale 0,19 W y su IN=52,1A. Se ensaya en vacío y cortocircuito, obteniendo los siguientes resultados:

a) Trazar a escala las curvas de vacío y de cortocircuito.

b) Calcular la impedancia sincrónica Zs y trazar la curva correspondiente.

c) Calcular la relación de cortocircuito saturada y no saturada.

d) Calcular las impedancias y reactancias sincrónicas saturada y no saturada nominales.

e) Calcular la regulación para cosf = 0,8.

Nota: La escala de Zs es un décimo de la de Icc.

Ecuación de Zs:

Relación de Cortocircuito:

Impedancia y reactancia sincrónica

Nota: Ya que la resistencia provoca sólo un 1 ó 2% de las caídas de tensión, frente al 12 a 18% de caída de tensión que provoca la reactancia inductiva, es que se desprecia. De esta forma la impedancia sincrónica queda:

Regulación para cosf = 0,8.

Los siguientes son valores obtenidos en sentido ascendente

La combinación de ambas curvas nos determina el punto de trabajo. Que se visualiza en la intersección de ambas curvas, como vemos en la gráfica.

Conclusión

Los generadores son accionados por turbinas, ruedas hidráulicas y motores diesel u otros tipos de motores principales. Cuando se produce un cortocircuito en el sistema accionado por un generador, el generador sigue para producir tensión en los terminales del generador como la excitación del campo se mantiene y el primer motor acciona el generador a velocidad normal. El voltaje generado produce un flujo de magnitud gran falla corriente desde el generador a la corriente de cortocircuito. El flujo de corriente de defecto está limitado solamente por la impedancia del generador y la impedancia del circuito entre el generador y el circuito corto. En el caso de un cortocircuito en los terminales del generador, la corriente de defecto está limitada por la impedancia del generador solamente. 

La curva de saturación de circuito abierto se obtiene cuando se conduce el GS a la velocidad nominal, en circuito abierto, y la adquisición de la tensión del terminal GS, la frecuencia y la corriente de campo. El núcleo agregado, la fricción y las pérdidas de fricción con el aire se pueden medir como la potencia de entrada para cada lectura de la tensión de circuito abierto nivel. A medida que la velocidad se mantiene constante, las pérdidas de fricción con el aire y la fricción son constantes. Sólo las pérdidas en el núcleo aumentan aproximadamente con el voltaje al cuadrado. 

La curva de saturación de cortocircuito se obtiene cuando el Generador Sincrónico es accionado a velocidad nominal con inducido en cortocircuito, mientras que la adquisición del estator y el campo valores corrientes deben leerse en nominal 25%, 50%, 75% y 100%. Los datos en un 125% la corriente nominal debe ser dada por el fabricante, para evitar el sobrecalentamiento del estator. Los puntos de alta corriente se deben tomar primero para que la temperatura durante la prueba se mantenga casi constante. La curva de saturación de cortocircuito es una línea más recta, porque la máquina está insaturado en el estado de equilibrio de cortocircuito. 

Bibliografía

http://www.monografias.com/trabajos82/generadores-sincronos/generadores-sincronos2

http://www.ece.msstate.edu/~donohoe/ece3414synchronous_machines.pdf

http://www.unioviedo.es/ate/calleja/…/EP…/generadores…/Presenta_F.ppt

http://recursosbiblioteca.utp.edu.co/tesisdigitales/texto/621313P438mi.pdf

http://cursos.eie.ucr.ac.cr/claroline/backends/download.php?url=L1RlbWFfMl9N4XF1aW5hX1NpbmNy825pY2EucGRm&cidReset=true&cidReq=IE0416_010

Autor:

SERGIO TIRADO

CIUDAD BOLIVAR – VENEZUELA