Proyecto de construcción de un generador trifásico

Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco UNSAAC. Construcción de un Generador Trifásico

Proyecto de Construcción de un Generador Trifásico (Setiembre de 2021)

José David Meza Cosio

e-mail: 182354@unsaac.edu.pe

Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco

Resumen – Los generadores eléctricos son maquinas eléctricas capaces de convertir la energía mecánica en energía eléctrica con medios electromagnéticos. En este proyecto se estudiarán los sistemas de generación trifásica, puesto que son los que se utilizan con más constancia en la generación, transporte y distribución de la energía eléctrica.  

1. introduccion

El presente proyecto es un informe técnico que recopila información y describe aspectos relevantes en el proceso de construcción de un Generador Trifásico.

El trabajo a sido dividido en cuatro capítulos: Definición de los objetivos general y específicos, marco teórico, proceso de simulación y comparación de datos teóricos y la construcción y descripción del generador trifásico casero.

En los objetivos general y específicos se definen las capacidades y logros que se quieren llegar a obtener con la realización de este proyecto.

En el marco teórico se determinan conceptos generales e importantes que sirven como base teórica para la aplicación de estos conocimientos en el proceso de simulación y construcción de un generador trifásico.

En el proceso de simulación y comparación de datos teóricos se realizan simulaciones apoyadas en el software y lenguaje de programación MATLAB, como de sus herramientas, con el fin de comprobar y analizar los datos teóricos conocidos.

La construcción y descripción del generador trifásico casero, es el capítulo final, en el que se aplicarán y comprobarán los conocimientos adquiridos y los datos recolectados para la realización de un Sistema de Generación Trifásico, describiendo sus características y analizando los resultados.

1. OBJETIVOS

1. Objetivo General:

Realizar un estudio detallista aplicando los conocimientos adquiridos a lo largo de la asignatura de “Análisis de Circuitos Eléctricos II” y en asignaturas previas, para determinar el principio de funcionamiento de los sistemas de generación trifásico para la implementación y construcción de un mini generador trifásico casero.

1. Objetivos Específicos:

• Definir los aspectos más importantes referentes al estudio de los generadores eléctricos en general.

• Investigar las principales utilidades y características de un sistema generador trifásico, con el propósito de comparar y encontrar las principales diferencias con los sistemas de generación monofásicos y/o bifásicos.

• Analizar el funcionamiento de un sistema de generación trifásica mediante el uso de diversos programas de simulación y la construcción de un prototipo casero.

1. MARCO TEORICO

1. Generador Eléctrico

Se define así a todo dispositivo que es capaz de mantener una diferencia de potencial (Tensión) entre dos de sus puntos conocidos como polos o bornes. Estas están destinadas a transformar la energía mecánica a eléctrica, lo cual se consigue por la acción de un campo magnético generado sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura denominada estator.

Como se mencionó con anterioridad el principio de funcionamiento de un generador eléctrico se basa en la “Ley de Faraday”, la cual establece que para que se genere corriente eléctrica en un conductor (bobinados) debe haber un movimiento relativo entre él y un campo magnético.

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Fig. 1. Ley de Faraday. Principio de inducción electromagnética

1.  Generador Monofásico

Es un tipo de maquina eléctrica rotativa capaz de transformar la energía mecánica en energía eléctrica. Esta constituido generalmente por una parte móvil (rotor) y una parte fija o estator.

En las maquinas actuales se coloca un dispositivo interior giratorio conformado por un material magnético al cual se le denomina rotor representando el elemento inductor y una parte externa fija que se denomina estator, siendo este el elemento inducido.

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Fig. 2. Generador monofásico simple

A la salida de nuestro generador se nos presenta una onda sinusoidal el cual puede presentar una onda de voltaje o corriente, de donde podemos identificar diversos valores como lo pueden ser valor RMS, valor promedio, valor pico, entre otros.

[pic 3]

Fig. 3. Onda sinusoidal de salida del generador eléctrico monofásico

1.  Generador Trifásico

El generador trifásico de la Fig. 4(a) nos presenta tres bobinas de inducción situadas a 120° entre sí ubicadas en el estator como se muestra en la Fig. 4(b), constituidas por los devanados AN, BN y CN, donde A, B y C presentan los principios de las bobinas y N el final respectivo de cada una.

Dado que las bobinas cuentan con el mismo número de espiras, y cada una de ellas gira con la misma velocidad angular, el voltaje inducido en cada una de estas tendrá el mismo valor pico, la misma forma y la misma frecuencia.

Conforme a la rotación del rotor del generador provocado por algún medio externo, los voltajes inducidos definidos como serán generados simultáneamente. Para cada devanado se generará una forma de onda sinusoidal, de tal modo que las tres tensiones resultantes estarán desfasadas 120° a través del tiempo como se aprecia en la Fig. 5.[pic 4][pic 5]

[pic 6][pic 7]

Fig. 4. (a) Generador trifásico. (b) Bobinas equivalentes

Fig. 5. Tensiones de fase de un generador Trifásico[pic 8]

La expresión senoidal que deriva de cada uno de los voltajes inducidos viene expresada por:

• [pic 9]
• [pic 10]
• [pic 11]

Cada devanado en el que se produce una tensión una tensión sinusoidal se denomina fase y de ahí que el sistema que se estudia se denomine generador trifásico.

Las tensiones trifásicas se producen a menudo con un generador (o alternador) trifásico de corriente alterna, cuya sección transversal se muestra en la Fig. 6. [pic 12]

Fig. 6. Sección transversal de un generador trifásico

Este generador consta básicamente de un elemento magnético giratorio (imán) denominado rotor, el cual está rodeado de un devanado estacionario denominado como estator.

1. Generador Trifásico conectado en estrella (Y)

Si las terminales expresadas en la Fig. 4 (a) denotadas con una N se conectan entre sí, se le denomina “generador trifásico conectado en Y” como se muestra en la Fig. 7.[pic 13]

Fig. 7. Generador trifásico conectado en Y

El punto en que todas las terminales están conectadas se denomina “punto neutro”. Si un conductor no está unido desde este punto a la carga, sistema se denomina generador trifásico de tres conductores conectados en Y.

Los tres conectores conectados desde las terminales A, B y C hasta la carga se denominan “líneas”. Para el tipo de conexionado en Y, como se muestra en la Fig. 7 se demuestra que la corriente de línea es igual a la corriente de fase para cada una de las fases .[pic 14]

1. Generador Trifásico conectado en triangulo (Δ)

En el tipo de conexionado denominado como “generador trifásico conectado en Δ”, se unen los extremos de las bobinas generadoras formando un triángulo como se muestra en la Fig. 8. En este tipo de conexionado se presentan solo tres conectores que salen al exterior.

[pic 15]

Fig. 8. Generador trifásico conectado en Δ

Se observa que los generadores forman una malla o circuito cerrado en el que las fuentes representan un conexionado en serie, de tal modo que el final de una fase (terminal de salida) siempre está unido con el principio de la fase siguiente (terminal de entrada).

En este conexionado se logra demostrar que la tensión de línea es igual a la tensión entre las fases . [pic 16]

1. Características diferenciales entre sistemas de generación trifásicos y monofásicos.

En general, para el proceso de transmisión de potencia, los sistemas trifásicos son priorizados sobre los sistemas de una fase o monofásicos por diversas razones, las cuales serán mencionadas a continuación:

1. Pueden ser usados elementos conductores de menor sección capaces de transferir la misma potencia (kVA) al mismo voltaje, lo que reduce la cantidad del elemento requerido (principalmente se utilizan conductores de cobre), disminuyendo en un porcentaje apreciable los costos de construcción y mantenimiento.

2. En general, una gran parte de los grandes motores son trifásicos porque estos son esencialmente de autoarranque y no requieren un diseño especial o circuitos adicionales de arranque.

3. La potencia instantánea de un sistema trifásico es constante, independientemente del tiempo, por ello los motores y/o generadores trifásicos tienen un par uniforme, lo que evita vibraciones y esfuerzos en el generador.

1. PROCESO DE SIMULACIÓN Y COMPARACIÓN DE DATOS TEORICOS

1. Base teórica y características del software de simulación a utilizar

1. MATLAB: Es un entorno de computación y desarrollo de aplicaciones totalmente integrado, orientado para llevar a cabo proyectos donde se encuentren implicados cálculos matemáticos de nivel avanzado, y la visualización gráfica de los mismos. MATLAB integra análisis numérico, cálculo matricial, proceso del señal y visualización gráfica en un entorno completo.

2. Simulink: Es una herramienta de MATLAB, que ofrece un editor gráfico con bibliotecas de bloques personalizables y un conjunto de solvers para modelar y simular sistemas dinámicos. La gran capacidad de integración de Simulink con MATLAB, permite la incorporación de algoritmos de este lenguaje de programación dentro de los modelos aplicados en Simulink, dando la capacidad de importar parámetros y datos necesarios para la simulación, y exportar los resultados.

3. Simscape: Es una librería de Simulink que permite la creación de modelos de sistemas físicos, los cuales se integran directamente con un proceso de diagrama de bloques. Con esta librería es posible modelar sistemas eléctricos como lo pueden ser motores eléctricos, rectificadores de puente. También los productos complementarios proporcionan capacidades de análisis y componentes más complejos.

1. Análisis de la Simulación de un generador trifásico conectado en configuración Y

[pic 17]

Fig. 9. Simulación de generador trifásico conectado en Y

La Fig. 9 nos muestra un generador trifásico conectado en Y, al cual se le conectan voltímetros para realizar la lectura de Tensión entre cada una de sus fases y el neutro, finalmente se le conecta un osciloscopio de 3 entradas para mostrar las señales de tensión en forma de onda, como una representación visual de la variación que presentan a través del tiempo.

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