Generador de inducción auto-excitado

INGENIERIA ELECTRICA Generador de Inducci6n Auto-excitado En el presente articulo se analiza el comportamiento de tensi6n, frecuencia y potencia de un generado,r de inducci6n como parte de la investigaci6n sobre Aerogeneraci6n que se viene adelantando en la Universidad Nacional. HORACIO TORRES S. Ingeniero Electricista Profesor, Universidad Nacional ALVARO ANTONIO ALARCON ALARCON Estudiante JUSTIFICACION DE LA ESCOGENCIA GENERADOR DEL TIPO DE Teniendo en cuenta el desarrollo de la industria electr ica nacional. el diserio del generador debe realizarse de acuerdo con los alcances de aquella. para no entrar en contr adiccion con la factibilidad de construccion. Es as! como una empresa multinacional alernana. ofrecio su colabor acion para la constr uccion del generador, V decidirnos. de cornun acuerdo. partir de un motor asincrono, jaula de ardilla. cuvas especificaciones ffsicas permiten un maximo de seis (6) poles para un rnlnirno de velocidad sincrona de 1200 RPM. CIRCUITO EQUIVALENTE DE DOXEY5 Para comprobar toda la teorfa existente sobre el generador de inducci6n autoexcitado. se realizaron en los laboratorios de Ingenierfa Electrica de la Universidad.Nacional una serie de pruebas. partiendo de un motor de induccion. jaula de ardilla tritasico cuvos datos nominales son: 1 HP, 220 V, 3.6 A V 4 polos. Los parametres de este motor fueron hallados a partir de las pruebas de vacio V de rotor frenado dando los siguientes va/ores: r2 = 0.962 X2 = 2.50 r, = 3.05 OHM 2.50 OHM x, Ro 85.56 OHM OHM OHM Xa=41.500HM EL FENOMENO DE AUTO-EXCITACION Consider ese el motor con las caracterfsticas va citadas en cuvos terrninales se Ie acopla un banco de condensadores de reactancia Xc por fase. La figura 2.1-1 muestra la curva de rnaqnetizacion (en vacio)-curva necesaria para el arialisis del funcionamiento de la rnaquina. va que ella como generador auto-excitado no trabaja en un solo punto de su caracterfstica dernaqnetizacio n. como veremos mas adelante-, V una recta que representa la reactancia capacitiva XcAI accionar el eje de la rnaquina a una rotacion constants. en vacio. el flujo residual existente en el material maqnetic o pr ovocar a la induccio n de una tensi6n de pe quefia amplitud en los ter rninale s de la maquiria. Esta tension hara circular una corriente en el circuito formado por los condensadores V los arrollamientos del estator; esta corriente producira un flujo de reaccion de armadura que S8 surnara al flujo residuaYV EI crecimient.o en el flujo har a aumentar la tension Ingenieria e Investigaci6n 67 INGENIERIA v, ELECTRICA (Volt) »: 0 ----- ---~----- - --------- - ------ -----I I I I I I I I I I I I I I I I I I I Imo Im(A) FIGURA 2. 1-1 Auto-exitaei6n del generador de indueei6n. inducida. la cual a su vez aurnentara la corriente v asi sucesivamente. mediante un proceso bastante sernejante al que sucede en los motores de comente conti nua en derivaci6n (5 HUNI). EI , proceso continua hasta Ilegar al punto de equilibrio "0" mostrado en la figura 2.1-1. Se puede verificar. para una velocidad de rotaci6n dada del eje. que si no hay intersecci6n bien X~ o Va ---------~----------------- Im(A) FIGURA 2. 1-2. Eleeto de la variaci6n de fa Irecuencia (171') sobre la tensi6n generada en vacio. 68 Ingenierfa e Investigaci6n INGENIERIA definida. han referido los elementos Ro y Xa a los terminales primarios. La ilustr acion 2.3-2 muestr a el circuito equivalente de la figura 2.3-1 ampliado para representar al generador de induccion auto-excitado. con una carga inductivaXi v Ri.en paralelo). EI modelo de DOXEY /21 parte del principio de la conservacion de la enerqia. aplicado al balance de potencias activas. La potencia rnecanica de entrada. descontadas las per didas por f r iccion y ventilacion. es nurnericarnente igual a la potencia electrica de entrada en el circuito equivalente. Esta potencia sumada a la que se disipa en los diversos elementos del circuito debe ser nula. Por tanto entre la curva de. vacfo y la reactancia no suc edera la auto-excitacron. Si se varia la velocidad de rotacio n. var iar a la frecuencia v, asi mismo su punto de oper acicn. como 10 indica la figura 2.1-2. Xc =1 /2rrfC. OPERACION EN CARGA La conversion de potencia mecanica en potencia electrica activa es realizada. en las rnaquinas de induccion. atr aves del deslizamiento de los campos giratorios del rotor y del estator. definido p~r: S = (n, - o)/os 2.2-1 Cuando la rnaquina esta en vacfo (n, :::::0); la velocidad de sincronismo es aproximadamente igual a la velocidad de rotacion del eJe; en carga (S 0). la velocidad sincrona depende de la velocidad de rotacion del eje. del desliza miento S y de la carga. Diviendo h Induccion. (r. -s- 11 anterior por y recordando f2 + 2 (1-s- S)...l... h I fI)2 2 f2 + la ecuacion + (r. s- + fl)Req h 2 V1 + fl Ro anterior + Xl VI que 2 + RL por 2.3-1 If X/ = 0 don d e 11 Req = 11 Ro + 11 RL (a) XI = XI + X2 (b) La res oluciorr de la ecuacion 2.3-2 equivalente en el cual se r1 2 Dividiendo CIRCUITO EQUIVALENTE el circuito la ecuacicn resulta: Si hay demanda de potencia reactiva por parte de la carga. esta tendra que ser suplida por los condensad ores. La figura 2.3-1 muestra clasico de la maquina de ELECTRICA 2.3-2 2 3-3 ofrece el valor X2 r2 12 r2 ( S) 1 S Ro V1 Xo FIGURA 2. 3-3. Circuitoequivalente modificado sequn Doxey. • 11 A r1 + r2 Xl + X2 S) S RL XL V1 Xc Ro XO FIGURA 2. 3-1. Circuito equivalente clasico de la rnaquina de induccion. B 12 ~I RL XL V1 Xc Ro Xo Xs Rs FIGURA 2. 3-2. Circuito equivalente del generador de induecion auto-excitado. Ingenieria e lnve stiqacion 69 INGENIERIA v, ELECTRICA I Xc = 30.5 C = 87 uf (volts) 150 L.E ________________ Vb - - - - - -=::;:.=---:7!"'e::...-- 140 120 100 80 60 40 20 FIGURA 3. 1-1. Curva en vaclo (60 Hz) de la rnaquina de inducci6n. del deslizarniento. Conforme observa DOXEY /2/ _ adrnitiendcse que los par arnetr os permanezcan constantes. el valor del deslizamiento S es funci6n de la componente activa de la carga R L Es conveniente representar el circuito equivalente como se indica en la figura 2.3-3 para calcular la regulaci6n de la tensi6n. La impedancia vista desde , los puntos A-B de la figura 2.3-2, su equivalente dado por /21: R, = Xs (r2/s (r2/s + r1)2 r2/ s + + rd es sustituida por + X/ ri 2.3-4 + X/ XI V' (Vats) 160 100 80 60 40 FIGURA 3. 1-2. Generadar auto-excitado alimentando una carga resistiva a 60 Hz. 70 Ingenieria e Invesligaci6n l-- __ ~---=-':--=---__:_"--,-----~--,,__L,._---,,--L--____=_"---____,J----__,_L.,.___--- 100 200 300 400 500 600 700 800 900 PclWI INGENIERIA v, ELECTRICA (Volts) 160 100 80 60 FIGURA 3. 1- 3. Variaci6n de la tension en funci6n de la potencia activa ofrecida a la carga a n = 1860 RPM. 40 L-----;1-;;o-;::o--~2 0~0:;-----;:;3~0-;::0--4:;-!0~0:-----;:5-:::0-;::0 ----c6:-!0:-::0---::::7~00;::------:8:-:':0-::()·---=-9~OO;::--- EVALUACION DEL FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR DE INDUCCION AUTO-EXCITADO La evaluaci6n del funcionamiento de la rnaquina. fue realizada en los laboratorios de Ingenierfa Electrica de la Universidad Nacional, a partir -de un grupo motor (D.C.)-generador (G.!.), alimentando carga resistiva. PdW) DIMENSIONAMIENTO DE LOS CONDENSADORES DE EXCITACION La ilustraci6n 3.1-1 muestra la curva en vaclo (60 Hz) de la rnaquina. A la linea del entrehierro Ie corresponde una reactancia Xc= 7 g'.4 ohm (C = 33.4 f) por fase. Se puede raciocinar que si el punto de operaci6n I(Hz) 61 60.5 60 59.5 59 585 58 L---l:-:':0--,0----,2-LOO.,------3,.-l0-C0---C4-!-00-=-----:5,--l0""""'0---=-6-!-00=-----:7,--l0""""'0---=-8~00.,-------:9,.-l0-c0---- Pc(W) FIGURA 3. 1-4. Variacion de la frecuencia en tuncion de la potencia activa ofrecida a la carga a n = 1860 RPM. Ingenieria e lnvestiqacion 71 INGENIERIA ELECTRICA en vacio quedase en la region de mayor saturacio n de la caracterfstica en vacio.'!e caida de tension seria menor que cuando funciona en un punto cercano a la linea del entre hierro. Puede verificar esta la linea del entrehierro. Para verificar esta hipote sis fue escogido el valor de C = 87M (Xc = 30.5 ohm a 60 Hz); la tension generada en vaci 0 fue de 143 V (F-T). Con este criterio la curva resultante de la tension, en funcion de la potencia ofrecida a la carqa. es mostrada en la Figura 3. 1-2, de donde se puede constatar que: a) La rnaquina genera unapotencia maxima de 890 W, la cual corresponde a cerca dell 20% de su capacidad nominal como motor. Este porcentaje. tan elevado. se debe al sobredimensionamiento de la rnaquina estudiada. b) La caida de tension entre vacio y plena carga es del orden del 31.45%. Si se limita el funcionarruento de la rnaquina para ofrecer una. potencia maxima de 500 W (67% de la potencia nominal como motor), la regulaclon de la tension es del orden del 11.3%. En tuncicn de los resultados arriba obtenidos. fue fijada la velocidad de r otacion del eJe en N = 1.860 RPM; valor obtenido a tr ave s de las ecuaciones 2.3-2 y 2.2-1. Con la rotacicn de 1.860 RPM, la rnaquina produce una tension en vacio de 146 V (F-T). Los resultados obtenidos figuras 3.1-3 y 3.1-4. se muestran en las Se observa en la figura 3.1-3 que entre 0 y 500 W, la tension cae cerca dell 0.28% con relacicn a la tension generada en vacio. mientras que entre 0 y 890 W la caida es del orden del 28%. De la figura 3.1-4 se puede constatar que la frecuencia varia de 61.5 Hz a 60.77 Hz entre vacio y 500 W, cayendo a 59.5 Hz para la potencia maxima (890 W). Adoptando 500 W como la potencia maxima para ser suplida por el generador, el funcionamiento puede ser considerado aceptable para aplicaciones donde no sean exigidas una muy buena requlacio n de tension, una frecuencia alrededor de 60 Hz, 0 bien alirnentacion de cargas con factor de potencia unitario/3! La principal desventaja del dimensionamiento del banco de condensadores es la tension de oper acion en vacio que es. cerca del 12.73% superior a la tension nominal en vacio. Para mejorar la calidad de la energia qenerada. seria necesario incorporar dispositivos de control de frecuencia y/o tension /4f La escogencia de estos dispositivos depender a del nivel de calidad deseado, teniendo en cuenta los costos y la complejidad de la instalacion. , BIBLIOGRAFIA Basset. E. B. and Potter F. M. Capacitive Excitation Generators, AlEE Transaction. mayo de 1935. paqirias of Induction 540-545. B.C. Doxey Theory and Aplication of the Capacitor-Excited Induction Generator, The Engineer. noviembre de 1963. paginas'893-897 Pinto Caldas Fernando. Um Estudo do Gerador de Inducao AutoExcitado e Aplicacoes, These de Mestrado. COPPElUFRJ. Rio de 72 Ingenieria e lnvestiqacion Janeiro. Agosto de 1980. Ferriera Braganga Filho Antonio Gerador Assincrono, Directoria Coordenacao da Electr obras. Rio de Janeiro de 1978. de Sandoval. Carneiro. Junior. Pinto Varga Caldas Fernando. Utilizacao do Gerador de inducao em usinas hidroelectricas de pequei'lo porte. Balneano Camboriu -SC- Brasil, 1981