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SEMANA 3
CURVAS CARACTERISTICAS DE LOS GENERADORES
En un generador el voltaje de salida está determinado por muchos factores. Los
números de conductores Z, número de polos y de trayectorias paralelas del
devanado de la armadura son parámetros de diseño y, por lo tanto, cantidades
fijas. En consecuencia, una vez construido, una forma de controlar el voltaje de
salida de un generador consiste en variar su velocidad de rotación “n” en r.p.m.
o en “ω” en radianes por segundo. La otra forma consiste en variar su flujo de
magnético por polo Ф en Wb.
g p
pZ E Voltios a
Eg^ K^ A.^ ^ p . Voltios
g p
pZ E n Voltios a
Eg^ K^ A '.^ ^ p. n^ Voltios
La velocidad de rotación está determinada por las características de la máquina
primaria acoplada al generador (regulador de velocidad de la turbina).
El flujo de campo está determinado por las características de la trayectoria
magnética total. Las bobinas de campo se construyen con un número específico
de vueltas de alambre de un tamaño en particular. Los Ampere-vueltas presentes
en la bobina están determinados por la cantidad física de vueltas y por la
corriente que circula a consecuencia del voltaje de campo aplicado.
Al relacionar el valor H de los ampere-vueltas por metro de longitud y el flujo
magnético por metro cuadrado B. El resultado es que una bobina de campo en
particular que se monte alrededor de determinado circuito magnético que tenga
un área de polo de campo específica tiene, en virtud de su tamaño, un valor de
Ф relacionado con su valor de H según la curva general BH del circuito
magnético. Esta depende, por , de los materiales específicos empleados.
CURVA DE MAGNETIZACION DEL GENERADOR
El voltaje generado Eg está relacionado directamente con el flujo magnético Фp,
ya que es la única cantidad variable que queda si la velocidad de rotación se
mantiene constante. Así, el voltaje de salida estará relacionado con la curva de
excitación del campo, muy parecida a la curva BH. De hecho, hay toda una
familia de curvas de voltajes generados con formas parecidas, habiendo una
para cada velocidad de rotación. Esta característica interna de un generador se
conoce como la curva de magnetización.
La curva de magnetización o característica interna de la máquina, se obtiene
excitando la máquina independientemente y manteniendo su velocidad ω
constante y en vacío.
El generador es accionado por un motor primario a una velocidad constante. En
el circuito del potenciómetro está conectado un amperímetro para registrar la
corriente absorbida por la excitación y un voltímetro está conectado en los bornes
del inducido para registrar la tensión Eg.
Si la máquina se mueve a una velocidad constante: Eg K A ' p n K ' p , la
lectura del voltímetro Eg es única y exclusivamente función del flujo mutuo en el
entrehierro.
Si el potenciómetro se ajusta para I (^) e 0 ; cuando el generador gira a una
velocidad constante e incluso cuando la fmm de excitación ( I Ne e 0 ) el flujo en
el entrehierro no es cero. El voltímetro registra una pequeña tensión cuando la
corriente de excitación es nula (punto a). La tensión en a se debe a la retentividad
de los polos de excitación y es proporcional a la cantidad de magnetismo residual
que quedó acumulado en el hierro de la máquina cuando el generador fue
desconectado.
Si Ie se aumenta mediante el potenciómetro hasta Ie, la tensión se eleva hasta el
punto b y si seguimos aumentando la corriente de excitación hasta Ie2, la tensión
se eleva hasta el punto c. Por lo tanto, la tensión inducida generada aumenta
proporcionalmente a la fmm del entrehierro producida por la corriente de
excitación (IeNe).
El tramo ab no es lineal porque está compuesto de una fmm residual fijo y una
fmm variable debida a la corriente de excitación.
El tramo bc es lineal ya que la fmm residual es despreciable en comparación con
la fmm producida por la excitación y la tensión generada varía directamente con
la variación de la intensidad de excitación.
Más allá del punto c (codo de curva), un aumento de la corriente de excitación
no produce un aumento proporcional en la tensión generada. Aquí, el hierro de
los polos de excitación y el núcleo circundante del circuito magnético se aproxima
a la saturación. Más allá del punto cualquier aumento de la fmm no llegará a
producir un aumento proporcionado en el flujo, y la curva de magnetización
desde c a d no es lineal, esta vez a causa del efecto de la saturación magnética.
Si la corriente de excitación se reduce de Ie3 a Ie2, la tensión generada disminuye
de d a e (la tensión e>tensión c y que posteriores disminuciones de Ie producen
tensiones generadas superiores a las producidas cuando Ie aumenta). Esta
acción es idéntica a la producida en cualquier circuito magnético que contiene
un material ferromagnético; es una propiedad del material denominada
Histéresis.
PROBLEMA 2.4: Suponiendo constante la excitación, calcular la tensión en
vacío de un generador independiente, cuya tensión en el inducido es de 150 V a
velocidad de 1800 r.p.m. cuando:
a) La velocidad aumenta a 2000 r.p.m.
b) Cuando la velocidad disminuye a 1600 r.p.m.
SOLUCION
a)
final final original original
n E xE n
2000 150 166, 7 1800
E (^) final x V
b)
E (^) final x V
LINEA DE RESISTENCIA DE EXCITACIÓN DEL GENERADOR
AUTOEXCITADO
Cuando el circuito de excitación (devanado de excitación y reóstato de campo)
se conecta a los bornes del inducido, la corriente de excitación Ie ya no es
independiente de la tensión generada.
La corriente Ie depende de la relación V (^) f / Rf.
V (^) f Va Tensión existente en bornes del inducido.
La corriente de excitación en cualquier instante, es función de dos variables: (1)
La tensión en el inducido, que varía con la f.m.m.del entrehierro, (2) la resistencia
de excitación que varía con el reóstato de campo.
A fin de expresar la corriente de excitación y del inducido que circula en cualquier
instante del circuito, es necesario representar gráficamente una familia de líneas
de resistencias de excitación. Por tanto de acuerdo a la ley de Ohm, una
resistencia de excitación elevada (gran pendiente) producirá una pequeña
corriente de excitación Ie para un valor muy grande de la tensión de excitación.
Inversamente una resistencia de excitación reducida (poca pendiente) producirá
una corriente de excitación Ie muy grande para una tensión de excitación Vf muy
reducida.
PRODUCCION DE LA AUTOEXCITACIÓN EN EL GENERADOR SHUNT
- Suponer que el generador arranca en reposo, velocidad de la máquina
motriz es nula. A pesar del magnetismo residual, la f.e.m. generada es
cero Eg 0 .
- Cuando la máquina motriz hace girar el inducido del generador y la
velocidad se aproxima a su valor nominal, la tensión debida al
magnetismo residual y a la velocidad E g k n aumenta.
- A la velocidad nominal, la tensión en bornes del inducido debida al
magnetismo residual, es pequeña E 1. Pero esta tensión también se aplica
al circuito de excitación cuya resistencia es Rf (Rsh). Por tanto la corriente de excitación I 1 es pequeña.
- Cuando I 1 circula en el circuito de excitación del generador, aumenta la
f.m.m. I N f f que ayuda al magnetismo residual, por tanto aumenta la
tensión a E 2.
- La tensión E 2 se aplica ahora a la excitación provocando que por el circuito
de excitación circule una corriente mayor I 2. I N 2 f es una fmm mayor que
produce una tensión generada E 3.
- E 3 establece a I 3 en el circuito de excitación produciendo E 4. Pero E 4
provoca la circulación de I 4 en la excitación produciendo E 5 y así sucesivamente hasta E 8 ; el valor máximo.
- El proceso continúa hasta el punto en que la línea de resistencia de
excitación corta con la curva de magnetización. En este momento cesa el
proceso. La tensión inducida producida cuando se aplica al circuito de
RAZONES POR LA QUE UN GENERADOR SHUNT AUTOEXCITADO NO
DESARROLLA TENSION:
- Falta de magnetismo residual ( o insuficiente)
- Conexiones del circuito de excitación invertidas con respecto al circuito
de inducido
- Resistencia del circuito de excitación mayor que la resistencia de
excitación crítica.
- Corte o resistencia elevada en el circuito de inducido
EFECTO DE LA CARGA EN IMPEDIR LA AUTOEXCITACION DE UN
GENERADOR SHUNT
La carga tiene una resistencia baja en comparación de Rf (resistencia de
excitación). Una carga demasiado grande se3 conecta a los bornes de un
generador shunt, que gira a su velocidad nominal, el generador puede no
desarrollar tensión. Una carga elevada (baja resistencia) representa un corto
circuito en bornes del inducido.
La razón es que la mayor parte de la corriente del inducido es derivada hacia la
carga en lugar de hacia la excitación y se dispone de una pequeña corriente de
excitación adicional para producir la fmm adicional requerida para iniciar el
proceso de autoexcitación.
Por lo tanto, para conseguir la autoexcitación, es necesario que el generador
shunt no esté conectado a la carga hasta que su tensión alcance su valor nominal
mediante el proceso de autoexcitación.
El generador shunt, en loque concierne a la carga, debe hacerse funcionar en la
parte saturada de su curva de magnetización. Si se hace funcionar por debajo
del codo de la curva de magnetización (parte lineal o no saturada), puede
desexcitarse con la aplicación de la carga.
CURVA CARACTERISTICA CARGA-TENSION DE UN GENERADOR SHUNT
Cuando se aplica carga a los bornes del inducido el efecto es de reducir la
tensión generada y la del inducido; la caída de tensión es por los siguientes
factores:
- Una caída de tensión interna en el inducido producida por la resistencia
del circuito del inducido Ra.
El efecto de la reacción de inducido sobre el flujo en el entrehierro.
La reducción de la corriente de excitación provocada por los dos factores precedentes.
REGULACION DE TENSION DE UN GENERADOR
El término regulación de tensión se utiliza para indicar el grado de variación de
la tensión en el inducido producida por la aplicación de la carga.
Si el cambio desde vacío a plena carga es pequeño, el generador posee una
buena regulación.
La regulación de tensión se define como la variación de la tensión desde vacío
a plena carga, expresada en tanto por ciento de la tensión nominal en bornes.
g a
a
E V
VR regulacion de Tension x V
Donde:
Eg Tensión generada en vacío. (V)
Va Tensión nominal en bornes a plena carga. (V)
PROBLEMA 2.5: La tensión en vacío de un generador shunt es 135 V y la tensión
a plena carga es 125 V. Calcular la regulación de tensión.
SOLUCION
g a
a
E V
VR x x V
PROBLEMAS PROPUESTOS
3.1 Un generador compound con derivación larga de 5 kW, 240 V y 1500 rpm.
Tiene una resistencia de armadura de 0,25 Ω, una resistencia de campo
shunt de 60 Ω, resistencia de campo serie 0,02 Ω. Suponiendo conexión larga y caída de tensión de 2 V en las escobillas; calcular:
a) La f.e.m. generada a plena carga.
b) ¿Cuál será la tensión generada a 1700 rpm?
c) La Resistencia de reóstato de campo para regular la tensión en bornes a
220 V a plena carga. d) Trazar la curva Va versus IL cuando trabaja sin reóstato de campo.
3.2 Trazar la curva de magnetización de un generador de excitación independiente de
25 kW, 120 V que gira a 900 rpm. Los datos son:
E (V) 4 40 60 80 100 120 140
Ie (A) 0 0.6 1.0 1.5 2.0 3. 0 4.
a) Si el voltaje de la excitatriz es de 1 2 0 V ¿Cuál debe ser la resistencia del circuito de excitación para que el voltaje generado sea de 1 30 V, siendo la velocidad de 900 rpm?
b) Si la resistencia del circuito de excitación se mantiene constante en 4 0 Ω y el voltaje de la excitatriz es de 1 2 0 V, ¿Cuál es la corriente de excitación y cuál es el voltaje generado cuando la velocidad es de 700 rpm??
