con de tension en generador sincrónico

1. HCM / DHA
Lab. Accionamientos Eléctricos – B
ELI325
Informe N°3:
“Control de tensión en
Generador sincrónico”
Integrantes:
Hernán E. Caviedes Manzano
Diego A. Hermosilla Astorga
Profesor:
Alejandro Porzio López

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Introducción:
La misión de cualquier generador sincrónico es producir corriente alterna de
frecuencia fija, mediante la inducción electromagnética que produce el campo
magnético giratorio proporcionado por el bobinado del rotor en los arrollamientos
del estator. De acuerdo a la Ley de Faraday, la variación de flujo magnético genera
una tensión inducida en las bobinas del estator; las que a su vez permiten la
circulación de corriente a través de los devanados que alimentan la red. En un
alternador, el desfase espacial de los arrollamientos del inducido sugiere una
diferencia temporal de 120° entre fase y fase. Por otra parte la frecuencia de
alimentación viene dada por la velocidad angular 𝜔 del campo magnético 𝐻, que
para el propósito de cualquier alternador, debe cuidarse de ser coherente a la
frecuencia de operación de la red.
Conforme a lo anterior, y en virtud de la alta probabilidad de que las tensiones
inducidas y la frecuencia de la máquina puedan verse alteradas por perturbaciones
ajenas al funcionamiento ideal de la red (piénsese en la conexión y desconexión de
carga, fallas tipo rayo, etc.), es que tiene lugar el estudio de mecanismos de control
de las variables 𝑓 y 𝑉𝑖𝑛𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜. En efecto, entre las consecuencias de alteración de
dichas variables se observa que la variación en la frecuencia causa una pérdida de
sincronismo en el generador y las cargas. Mientras que la variación en la tensión
de los terminales afecta directamente los flujos de la potencia entregada por la
máquina y las características de funcionamiento de los equipos conectados a ella.
En esta oportunidad se realizarán únicamente pruebas de control de tensión en un
generador síncrono con carga, con el objetivo de monitorear las variables que
inciden negativamente en el comportamiento ideal del sistema y cómo se podrían
corregir eventuales perturbaciones.
En términos prácticos, y con el propósito de adoptar una referencia, en primer
lugar se buscarán las características propias de la máquina como la característica
de vacío y la característica de cortocircuito. La reactancia sincrónica será otra de las
incógnitas importantes a conocer en éste problema. El control de voltaje y el tipo
de excitación del alternador también incidirán sobre la respuesta de la máquina
ante eventuales perturbaciones de carga.
En virtud de lo anterior, se ocupará un controlador PI para fijar los valores
deseados de las variables importantes y de esta manera evitar un comportamiento
inadecuado del alternador.

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Objetivos:
 Determinar las curvas de vacío y de cortocircuito de la máquina sincrónica.
 Utilizar la máquina como generador autoexcitado (uso de feedback).
 Implementación del lazo de control.
 Sintonización del lazo de control, por medio de controlador PI.
 Ensayar el sistema para diferentes grados de carga.
Instrumentos a Utilizar:
 Osciloscopio Digital con puntas de tensión diferencial y corriente.
 Rectificador trifásico controlado.
 Transformador trifásico.
 Fuente controlada ±15[𝑉]
 Tacómetro.
 Máquina DC.
 Controlador PI.

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Marco Teórico
La obtención de parámetros en una máquina sincrónica se realiza
experimentalmente a través de los ensayos de cortocircuito y de vacío.
Ensayo de Vacío
Consiste en dejar al generador sin cargas en bornes (en vacío) haciéndolo girar a
velocidad nominal y partiendo con corriente de campo nula. Esta última se va
aumentando y se van registrando las cuantías de tensión observadas en los bornes
del estator, consiguiendo la característica de vacío de la máquina. Esta
característica permitirá encontrar la tensión interna del generador para una
determinada corriente de campo, esta curva tendrá un comportamiento lineal
siempre y cuando no se sature el circuito magnético.
Figura1: Esquema eléctrico para la realización del ensayo devacío en una máquina sincrónica.

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Figura2: Esquema eléctrico equivalentedeun alternador en vacío y diagrama fasorial correspondiente.
Ensayo de cortocircuito
Contempla la conexión de los terminales de inducción de la máquina (permitiendo
el cortocircuito de los arrollamientos del inducido). Posteriormente se lleva el
generador a velocidad nominal y se va aumentando la magnitud de 𝑖 𝑓 hasta el
punto de alcanzar corriente nominal en las bobinas del inducido, permitiendo
obtener la característica de cortocircuito.
Figura3: Esquema ensayo decortocircuito en máquina sincrónica.

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Figura4: Circuito equivalente deun alternador en cortocircuito y diagrama fasorial correspondiente.
Obtención de parámetros
Asumiendo un rotor completamente isotrópico es posible conseguir la reactancia
sincrónica 𝑋𝑠 con los ensayos que anteceden. En efecto, por una parte, en vacío la
corriente de campo 𝐼𝑓 debe determinar una tensión inducida equivalente a la
tensión nominal. Por otra parte, al cortocircuitar la armadura se desarrolla la
corriente de cortocircuito 𝐼𝑠𝑐 de magnitud tal que 𝑉𝑛𝑜𝑚 = 𝐼𝑠𝑐 𝑋𝑠 .
Si se ingresa con el valor de 𝐼𝑓 en el eje de las abscisas de la gráfica adjunta, será
posible determinar los valores de tensión y de corriente adecuados a dicha
corriente de campo, que finalmente permitan conocer las reactancias de interés.
Figura5: Superposición gráfica delas características devacío y cortocircuito para el cálculo dela reactancia sincrónica.

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Desarrollo experimental:
Lazo de control
Para controlar la tensión generada en los terminales 𝒰 − 𝒱 − 𝒲 de la máquina
AC es necesario variar la corriente de campo. Para lograr dicho objetivo se debe
medir la tensión entre bornes y compararla con alguna referencia, debido a que la
idea es mantener la tensión constante en los arrollamientos del estator ante
posibles variaciones de carga. El esquema de control se exhibe en la Figura 6.
Figura6: Esquema circuito decontrol conformea los bloques Leybold.
Cabe recalcar que la magnitud de la tensión generada en los terminales 𝒰 − 𝒱 −
𝒲 del inducido supera las restricciones de operación de los bloques Leybold, de
modo que para poder llevar la señal obtenida hasta el circuito de control es
necesario hacer uso de un transformador y reducir el módulo del voltaje de
interés. Posterior a ello, esta tensión de salida pasa por un rectificador trifásico no
controlado; para luego filtrarse y aminorarse con un divisor resistivo.
Con la referencia de tensión definida y en conocimiento de la tensión inducida que
yace en los bornes del alternador, la señal concluyente ingresa al controlador PI
para ser comparada y regulada; dando como resultado una retroalimentación de la
corriente de excitación y un ajuste adecuado del campo magnético giratorio. Lo
anterior tiene como consecuencia directa la corrección de valores no deseados de
la tensión generada. Un esquema de lo explicado anteriormente se ofrece en la
Figura 7.

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Figura 7: Esquema eléctrico del montajeexperimental.

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Desarrollo enel laboratorio
1. Ensayo de vacío
El generador se hará girar a velocidad nominal a través de un motor
externo. Se tomarán valores en la excitatriz y de tensión en bornes,
partiendo con corriente de campo igual a cero. Se obtendrá la característica
de vacío.
2. Ensayo de cortocircuito
Se hará girar la máquina con un motor externo a velocidad nominal fijando
la corriente de campo en cero. Se medirá corriente de campo y del inducido.
3. Lazo de control cerrado
La medición de la tensión en bornes se hará a través de un transformador
para reducir la tensión y llevarla al circuito de control. Se conectará a un
rectificador para que la tensión, luego de pasar por un filtro, vaya al
controlador PI y con ello trabajar con tensiones del orden de los 10[𝑉].
4. Variación de cargas
Al circuito completo se le añadirá una carga trifásica variable para ver la
respuesta del control ante diferentes configuraciones del PI.

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Resultados y Análisis:
Ensayo de vacío
Una vez armado y activado el circuito de la Figura 1, se registró la diferencia de
potencial entre los terminales 𝒰 − 𝒱 de la máquina sincrónica para cada cuantía
de la corriente de excitación. Los resultados empíricos se exhiben a continuación:
𝑽 𝒐𝒄 [𝑽] 0 150 220 250 295 340 350 370 390 410 415 430 435
𝑰 𝒇 [𝑨] 0 1 1,5 2 2,2 2,8 3 3,2 3,5 3,8 4,0 4,3 4,5
Tabla 1: Resultados experimentales para el ensayo devacío.
Adicionalmente, con el conjunto de datos que antecede fue posible la construcción
gráfica de la característica de vacío del alternador. El resultado se expone en la
Figura 8.
Figura8: Característica devacío del generador obtenida con los registros empíricos.

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Ensayo de cortocircuito
Luego de que se puso en marcha el circuito de la Figura 3, se registraron los
valores de la corriente circulante en los arrollamientos cortocircuitados (estator)
conforme cambiaba cuantía de la corriente de campo. Los resultados
experimentales se muestran abajo:
𝑰 𝒔𝒄 [𝑨] 0,47 4,5 7,5 8,2 9,2 10,5 11,7 13,1 14,1 14,8 16,1 17,7 19,1
𝑰 𝒇 [𝑨] 0 1 1,5 1,8 2 2,2 2,5 2,8 3,0 3,2 3,4 3,8 4,0
Tabla 2: Resultados empíricos para el ensayo decortocircuito.
Análogamente al caso anterior, el conjunto de datos de la Tabla 2 permitió la
elaboración de la característica de cortocircuito del generador síncrono. El
resultado gráfico se presenta en la Figura 9.
Figura8: Característica de cortocircuito del alternador conseguida con los datos experimentales.

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Reactancia sincrónica
A partir de los datos conseguidos en los ensayos de vacío y cortocircuito, en
conformidad a sus respectivas características gráficas y bajo la suposición de que
el rotor es perfectamente cilíndrico, se tiene:
𝐼𝑓 = 3.2 [𝐴] → 𝑉𝒰𝒱 ≅ 370 [𝑉]
𝐼𝑓 = 3.2 [𝐴] → 𝐼𝑠𝑐 ≅ 14.8 [𝐴]
Utilizando los resultados anteriores y en coherencia a la información gráfica de la
Figura 5; es posible despejar el valor de la reactancia sincrónica:
𝑋𝑠 =
𝑉𝒰𝒱 𝐿𝐿
𝐼𝑠𝑐
⇒ 𝑋𝑠 =
370
√3
14.8
∴ 𝑋𝑠 ≅ 14.43 [Ω]

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Operación en red propia
En esta parte de la experiencia se midieron las variables 𝑉𝒰𝒱 e 𝐼𝑓 bajo la condición
de excitación independiente en la máquina sincrónica, esto es, con presencia de
carga ascendente en los terminales del estator y sin ningún feedback de parte del
sistema de control.
Los registros experimentales son los siguientes:
𝑽 𝓤𝓥[𝑽] 370 180 170 150 130
𝑰 𝒇[𝑨] 1,38 2,7 5,2 9,1 11,6
Tabla 3: Cuantías de tensión inducida en los arrollamientos del estator y corrientedeexcitación.
De la Tabla 3 se extrae la idea de que cuando el generador se somete a condiciones
de carga creciente, las tensiones inducidas en las bobinas 𝒰 − 𝒱 − 𝒲 presentan
una disminución importante en su magnitud; exhibiendo, por ejemplo, un
decremento de hasta 160[𝑉] respecto del valor de tensión en vacío cuando la
corriente de campo es cercana a los 2,8[𝐴].
Operación con presencia del lazo de control de tensión
En esta ocasión se estudiaron nuevamente las variables 𝐼𝑓 y 𝑽 𝓤𝓥 pero ahora se
conectó el lazo de control de tensión tal como se presentó en los esquemas de la
Figura 6 y de la Figura 7. El ensayo contempló la variación de carga en los
terminales del alternador, además de la modificación de los parámetros del
controlador PI con el objeto de disminuir los peaks de tensión producidos por el
cierre del interruptor que permite el paso de alimentación independiente a
condición auto-excitada.
Las lecturas de laboratorio fueron:
Prueba 𝑲 𝒑 𝑻 𝒏 𝑰 𝒇 [𝑨] 𝒏 [𝒓𝒑𝒎]
1 2 100 12,3 959
2 9 120 12,28 960
3 30 40 12,27 960
Tabla 4: Cuantías detensión inducida en los arrollamientos del estator y corrientedeexcitación.
De la Tabla 4 y del trabajo presencial, se desprende la idea de que ante la variación
de los parámetros del controlador PI (proporcional directo 𝑲 𝒑 y proporcional
integral 𝑻 𝒏) se consiguieron menor número de oscilaciones y menor presencia de
peaks en lo que respecta a la corriente monitoreada.

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En lo que respecta a la tensión en los terminales del estator 𝑽 𝓤𝓥 , se observó una
magnitud aceptablemente constante sólo en el último caso ( 𝑲 𝒑 = 𝟑𝟎 ; 𝑻 𝒏 =
𝟒𝟎 ), ya que para las pruebas 1 y 2 el sistema presentó oscilaciones importantes en
las variables estudiadas.
Prueba de lo anterior es lo que se ve en las imágenes adjuntas (imágenes extraídas
del documento “Informe 3 - Control de Voltaje de Alternador”, Millán, Clemente,
Aliste. Trabajo ELI325. 2016. Páginas: 8 y 9); donde, como se expone en la
Ilustración 1, para la maniobra que da paso al cambio de excitación se observan
variaciones importantes en la magnitud de la tensión inducida (CH1) y de la
corriente de campo (CH2).
Ilustración 1
En la Ilustración 2 se muestra un intento fallido por darle suavidad a ambas
variables en lo que respecta a la transición de la maniobra; es decir, si bien el
controlador PI cumple con estabilizar la tensión en los terminales 𝓤 − 𝓥, dicha
estabilización es insuficiente, ya que provoca oscilaciones importantes en la
corriente de excitación 𝑰 𝒇 y con ello la producción de fems inducidas con
perturbaciones que no son deseables para la entrega de potencia en un alternador.
Ilustración 2

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Finalmente, en la Ilustración 3 se exhibe el caso en que las oscilaciones sobre la
corriente de campo, así como para la tensión inducida 𝑽 𝓤𝓥 , son relativamente
pequeñas ante la maniobra del cambio de excitación; haciendo notar que el
controlador PI (bajo los ajustes de 𝑲 𝒑 y 𝑻 𝒏 adecuados) consigue regular la tensión
alterada ante la presencia de carga, llevándola al valor configurado tan rápido
como el sistema lo permita.
Ilustración 3
Conclusiones:
 Los ensayos de vacío y de cortocircuito nos permiten obtener de manera
directa los parámetros de la máquina, para este caso de rotor cilíndrico se
obtiene la reactancia sincrónica la cual nos permite modelar sucesos en
estado estacionario.
 Una operación bajo red propia sin lazo de control de tensión produce una
caída importante de tensión en bornes bebido a las cargas que se van
integrando a la máquina, esta caída llegando a disminuir enormemente la
tensión en bornes tal como se puede apreciar en la tabla 3.
 La operación bajo lazo de control tiene como fin que ante las
perturbaciones producidas por oscilación de carga no tenga efecto alguno o
lo menor posible en la tensión de bornes del generador, para lograr éste
propósito se debe medir constantemente la tensión de salida pero se debe
recudir a un rango en que el controlador PI soporte, con tensiones del orden
de 10 V. Luego de esto se aprecia en las figuras 1, 2 3 las variaciones de las
variables de control como la ganancia 𝐾𝑝 y la constante de integración 𝑇𝑛,
con la 3 configuración de la tabla 4 se obtienen los mejores resultados
donde la tensión en bornes no presenta oscilaciones ante perturbaciones de
carga.