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