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Maquinas Eléctricas sincronas o sincrónicas - Universidad Nacional de Loja

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Caracterización de la máquina sincrónica, principio de funcionamiento, tipos de máquinas síncronas, modelos matemático de la máquina de rotor cilíndrico y polos salientes, tipos de sistemas de excitación, paralelo de generadores, sincronización

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Maquinas Eléctricas sincronas o sincrónicas - Universidad Nacional de Loja

  1. 1. MÁQUINAS ELÉCTRICAS SÍNCRONAS Jorge Patricio Muñoz V. MSc - MBA
  2. 2. Principio de conversión de energía
  3. 3. Elementos básicos de las máquinas eléctricas rotativas T ωm v1, i1 v2, i2 • Una parte fija se denomina estator. • En la cavidad del estator se coloca el rotor que es la parte móvil. • El rotor se monta en un eje que descansa en dos rodamientos. • El espacio de aire que separa el estator del rotor se denomina entrehierro.
  4. 4. Clasificación de las máquinas GENERADOR: transforma la energía mecánica en eléctrica. La acción se desarrolla por el movimiento de una bobina en un campo magnético. MOTOR: transforma la energía eléctrica en mecánica. La acción se desarrolla introduciendo una corriente en la máquina por medio de una fuente externa. TRANSFORMADOR: transforma una energía eléctrica de entrada (CA) con determinada magnitud de tensión y corriente en otra energía eléctrica de salida (CA) de diferentes magnitudes.
  5. 5. Unidades de las magnitudes electromagnéticas INTENSIDAD DE CAMPO MAGNÉTICO (H): Amperios/m INDUCCIÓN MAGNÉTICA (B): Tesla (T) = Wb/m2 FLUJO MAGNÉTICO (Ø): Weber (Wb) FUERZA MAGNETOMOTRIZ (F): Amperios*Vuelta FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA (E): Voltio (V) PERMEABILIDAD (µo): 4 * 10 -7 H/m B H µ =
  6. 6. Principio de funcionamiento La regla de la mano derecha es una regla nemotécnica (auxilia a la memoria) para orientar en el espacio un producto vectorial, o un sentido de giro. Nos dice que si estiramos la mano derecha con el pulgar hacia arriba, y el resto de dedos en forma de puño, el dedo índice nos indicará la dirección y sentido de la corriente eléctrica, mientras que el resto de dedos nos muestra el sentido del campo magnético. I = Intensidad de corriente B = Inducción magnética
  7. 7. Principio de funcionamiento (campo) (corriente) (movimiento )
  8. 8. Principio de funcionamiento Generador de CA B I v
  9. 9. Principio de funcionamiento Generador CA
  10. 10. Principio de funcionamiento Generador CA Energía mecánica de entrada al generador que mueve la bobina de campo FEM inducida proporcional a la velocidad de corte de las líneas de campo magnético. Ejemplo de la ley de Faraday. FEM sinusoidal inducida de salida
  11. 11. Principio de funcionamiento FEM inducida en máquinas de CA R (Resistencia – carga externa) Escobilla Anillos colectores Espira Polos Escobilla e = Em sen ω t ωm f.e.m. generada en la espira Amperímetro N S Polos inductores
  12. 12. Principio de funcionamiento Motor CA Anillos deslizantes (escobillas) Campo magnético producido por bobinas Alimentación de AC
  13. 13. Fuentes de energía de entrada Turbinas de gas y vapor Hidro Aplicaciones especiales Eólico Fotovoltaico Hidroeléctrico
  14. 14. Fuentes de energía de entrada: Hidroeléctrica Turbinas hidráulicas: Saltos gran altura: Turbinas Pelton (375 – 700 rpm) Saltos medios: Turbinas Francis (150 rpm) Saltos pequeños (< 30 m): Turbinas Kaplan (< 100 rpm) Por la baja velocidad son rotores de polos salientes.
  15. 15. Turbinas Hidráulicas Pelton KaplanFrancis
  16. 16. Turbinas Hidráulicas Pelton KaplanFrancis
  17. 17. Placa de una turbina hidráulica
  18. 18. Turbina de vapor
  19. 19. Partes constitutivas de la máquina eléctrica rotatoria
  20. 20. Partes constitutivas de la máquina eléctrica rotatoria Eje motor Cojinete Carcasa Aletas de refrigeración Rotor de jaula de ardilla Flujo del aire de refrigeración Ventilador de refrigeración Estator con devanados estatóricos Bornera
  21. 21. Campos giratorios. Teorema de Ferraris J.F.A. 21 • Tres (3) tensiones trifásicas (120 º) con tres (3) devanados defasados a 120º eléctricos.
  22. 22. Campos giratorios. Teorema de Ferraris I(t) t R S T 0º 90º 180º 270º 360º R R’ S S’ T T’ • Tres (3) grupos de bobinas RR’, SS’ y TT’ • R, S, T corrientes salientes del plano de la lámina. • R’, S’, T’ corrientes entrantes. • Los devanados llevan corrientes defasadas 120° en el tiempo y que los devanados están defasados 120° eléctricos en el espacio.
  23. 23. Campos giratorios. Teorema de Ferraris • La onda de FMM (B) resultante en el entrehierro será igual a la suma de las tres (3) ondas pulsatorias (B1, B2, B3). • La FMM en el entrehierro será: FMM = 3/2 Fm cos (ω t – θ) • La FMM varía en función del tiempo según una sinusoide de amplitud (3/2 Fm) y en el mismo instante de tiempo esta distribuida sinusoidalmente en el entrehierro. • En consecuencia, la expresión anotada, tiene el carácter de una onda que se mueve alrededor del entrehierro, es una FMM giratoria.
  24. 24. Campos giratorios. Teorema de Ferraris • Ns y Nr es la velocidad igual a la velocidad de giro de la FMM en el entrehierro que se denomina velocidad sincronismo. Velocidad de SINCRONISMO60 np f = Velocidad del campo magnético del estator Velocidad del rotor Estator Rotor
  25. 25. La frecuencia eléctrica de la red está sincronizada con la velocidad mecánica de rotación del generador síncrono, a través de la expresión:    En dónde: f = es la frecuencia eléctrica, Hz p = es el número de pares de polos del generador n = es la velocidad del rotor, rpm 60 np f = • El rotor del generador es accionado por un motor primario • Una corriente continua que fluye en el devanado del rotor, produce un campo magnético que rota dentro de la máquina • El campo magnético rotatorio induce una tensión trifásica en el estator del generador Campos giratorios. Teorema de Ferraris
  26. 26. nº de polos rpm 50 Hz rpm 60 Hz nº de polos rpm 50 Hz rpm 60 Hz 2 3000 3600 16 375 450 4 1500 1800 18 333 400 6 1000 1200 20 300 360 8 750 900 22 272 327 10 600 720 24 250 300 12 500 600 26 231 277 14 428 540 28 214 257 60 f n p = Velocidad de las máquinas eléctricas síncronas
  27. 27. • Los generadores sincrónicos (síncronos) o alternadores son utilizados para convertir energía mecánica (derivada del vapor, del gas, o de turbinas hidráulicas) en energía eléctrica CA. • Los generadores sincrónicos son la fuente principal de energía actualmente en la industria eléctrica. • Los motores sincrónicos se construyen para aplicaciones industriales que exigen gran potencia, velocidad constante y pueden inyectar potencia y energía reactiva (capacitiva) (condensador síncrono). Uso de máquinas eléctricas síncronas
  28. 28. Máquinas eléctricas síncronas Los contenidos aquí expuestos son válidos para alternadores monofásicos y trifásicos. En el caso del alternador trifásico, las consideraciones y magnitudes son de fase
  29. 29. Configuraciones básicas del estator rotor Estator y rotor cilíndricos Estator cilíndrico y rotor con polos salientes Estator con polos salientes y rotor cilíndrico
  30. 30. Máquinas sincrónicas Configuraciones básicas del estator rotor
  31. 31. Polos salientes Polos lisos Rotor polos salientes (inductor) Devanados del estator (inducido) Configuraciones básicas del estator rotor
  32. 32. En aquellas turbinas hidráulicas que giran a baja velocidad (entre 50 y 300 rpm), se requiere de un gran número de polos en el rotor. Máquina de polos salientes NNN S S Sentido de las corrientes por el rotor Entrehierro no uniforme
  33. 33. L ≈ 10 m D≈ 1mTurbina Vapor o gas Estator Entrehierro Devanado del Estator Rotor Devanado del Rotor N S Estas máquinas son de alta velocidad: 3.600 rpm para 2 polos, y, 1.800 rpm para 4 polos. Los conductores se enfrían con hidrógeno o con agua. Generan sobre los 2.000 MVA Máquina polos lisos (rotor cilíndrico) Generador
  34. 34. Tipos de máquinas síncronas Estator de Coca Codo Sinclair
  35. 35. Tipos de máquinas síncronas Rotor de Coca Codo Sinclair
  36. 36. Tipos de máquinas síncronas Rotor de Delsitanisagua
  37. 37. Tipos de máquinas síncronas Rotor de Delsitanisagua
  38. 38. Pérdidas En el cobre: debido a la resistencia de los conductores al paso de la corriente eléctrica. 2 1 n cu i i i P R I = = ∑ En el hierro: pérdidas por histéresis y pérdidas por corrientes de Foucault (parásitas). FE H FP P P= + Mecánicas: debido al rozamiento de los cojinetes, a la fricción de las escobillas y a la ventilación (rozamiento del aire). 3 * *mP A n B n= + varfijas FE m iables cuP P P P P= + == ? Pérdidas fijas (no varían con la carga de la máquina) y pérdidas variables (varía con la carga como la corriente eléctrica) fricción ventilación
  39. 39. Tipo de asilamientos. Temperaturas máximas de devanados Tipo de Aislamiento Material Aislante Impregnante o Barniz Clase A (105°C) Algodón, seda, rayón. Poliamida, acetato de celulosa. Esmaltes de resinas de poliéster. Barnices naturales y sintéticos. Clase B (130°C) Tejidos fibra de vidrio y amianto. Mica, sola o con soporte de papel. Esmaltes a base de: poliuretano y polivinilos. Caucho etileno – propileno. Cintas fibra de vidrio y mica. Barnices y resinas a base de: epóxicos, melamina, poliéster reticulado. Clase F (155°C) Tejidos fibra de vidrio barnizados. Papeles de mica y amianto. Compuestos a base de poliamida. Esmaltes y barnices a base de: poliéster modificado, polietileno, poliuretano, poliamida. Resina epoxi. Barnices y resinas a base de: poliéster, poliuretano, epóxicas. Clase H (180°C) Tejidos de fibra de vidrio, amianto, mica, impregnados con silicona. Fibras de vidrio y caucho silicona. Esmaltes de silicona, poliéster poliuretano y poliésterimida. Resinas de silicona Clase 200 (200°C) Materiales a base de mica, vidrio, cerámica, etc.
  40. 40. Tipo de servicio de máquinas eléctricas Tipo de Servicio Características Operativas de la Máquina Eléctrica Servicio S1 – Continuo Funcionamiento con carga constante y de una duración suficiente para que se establezca el equilibrio térmico. Servicio S2 – Temporal Funcionamiento con carga constante durante un periodo de tiempo determinado, menor que el requerido para alcanzar el equilibrio térmico, seguido de un periodo de reposo suficiente para que la temperatura descienda hasta igualarse a la del fluido de refrigeración dentro de un margen de 2 °K. Servicio S3 – Intermitente periódico Sucesión de ciclos de servicios idénticos, comprendiendo cada uno un periodo de funcionamiento con carga constante y un periodo de reposo. La intensidad de arranque no influye apreciablemente en el calentamiento. Servicio S4 – Intermitente periódico con arranque Sucesión de ciclos de servicio idénticos, comprendiendo cada uno un periodo de tiempo de arranque, un periodo de funcionamiento con carga constante y un periodo de reposo. Servicio S5 – Intermitente periódico con frenado eléctrico Sucesión de ciclos de servicio idénticos, comprendiendo cada uno un periodo de tiempo de arranque, un periodo de funcionamiento con carga constante, un periodo de frenado eléctrico rápido y un periodo de reposo.
  41. 41. Tipo de Servicio Características Operativas de la Máquina Eléctrica Servicio S6 – Ininterrumpido con carga intermitente Sucesión de ciclos de servicios idénticos, comprendiendo cada uno un periodo de funcionamiento con carga constante y un periodo de vacio. No existe periodo de reposo. Servicio S7 – Ininterrumpido periódico con frenado eléctrico Sucesión de ciclos de servicio idénticos, comprendiendo cada uno un periodo de arranque, un periodo de funcionamiento con carga constante y un periodo de frenado eléctrico. No existe periodo de reposo. Servicio S8 – Ininterrumpido periódico con cambios de carga y velocidad relacionados Sucesión de ciclos de servicio idénticos, comprendiendo cada uno un periodo de funcionamiento con carga constante correspondiente a una velocidad de giro determinada, seguido de uno o varios periodos de funcionamiento con otras cargas constantes correspondientes a velocidades de giro diferentes. No existe periodo de reposo. Servicio S9 - Con variaciones no periódicas de carga y de velocidad La carga y la velocidad tienen una variación no periódica en el margen de funcionamiento admisible. Este servicio incluye frecuentemente sobrecargas aplicadas que pueden ser ampliamente superiores a la plena carga. Servicio S10 – Con cargas constantes diferentes Un máximo de cuatro valores diferentes de carga, cada uno de los cuales se mantiene un tiempo suficiente para permitir que la máquina alcance el equilibrio térmico. La carga máxima de un ciclo de servicio puede tener un valor 0 (vacío o reposo) Tipo de servicio de máquinas eléctricas
  42. 42. Dígitos para indicar el grado de protección IP En la norma UNE 20-324 equivalente a norma europea EN 60529 se establece un sistema de especificación general en función del grado de protección que se consigue en cualquier material eléctrico. El grado de protección se designa con las letras IP seguidas de tres cifras, de las cuales en las máquinas eléctricas sólo se utilizan dos. 1ª cifra: indica la protección de las personas frente a contactos bajo tensión y/o piezas en movimiento en el interior, así como la protección de la máquina frente a la penetración de cuerpos sólidos extraños. 2ª cifra: indica la protección contra la penetración de agua. 3ª cifra: indicaría la protección contra daños mecánicos.
  43. 43. Dígitos para indicar el grado de protección IP Nú- mero 1ra CIFRA Protección contra contactos directos y cuerpos extraños 2da CIFRA Protección contra la penetración de líquidos 3ra CIFRA Protección contra los choques mecánicos 0 Sin protección Sin protección Sin protección 1 Protección contra contactos directos casuales de grandes superficies (ej. la mano). Protección contra la penetración de cuerpos sólidos extraños de diámetro superior a 50 mm Protección contra la caída vertical de gotas de agua Energía de choque: 0,225 J 2 Protección contra contactos directos con los dedos. Protección contra la penetración de cuerpos sólidos extraños de diámetro superior a 12 mm Protección contra caídas de gotas de agua inclinadas en cualquier ángulo hasta 15 ° con la vertical 3 Protección contra contactos directos de herramientas, hilos, etc. Protección contra la penetración de cuerpos sólidos extraños de diámetro superior a 2,5 mm Protección contra el rociado de agua en un ángulo de hasta 60 ° con la vertical Energía de choque: 0,5 J 4 Protección contra contactos directos con herramientas, hilos, etc., Protección contra la penetración de cuerpos sólidos extraños de diámetro superior a 1 mm Protección contra la proyección de agua en todas las direcciones
  44. 44. Dígitos para indicar el grado de protección IP Nú- mero 1ra CIFRA Protección contra contactos directos y cuerpos extraños 2da CIFRA Protección contra la penetración de líquidos 3ra CIFRA Protección contra los choques mecánicos 5 Protección total contra contactos directos. Protección contra depósitos de polvo perjudiciales Protección contra chorros de agua en todas las direcciones Energía de choque: 2 J 6 Protección total contra contactos directos. Protección total contra penetración de polvo Protección contra inundaciones pasajeras 7 Protección contra los efectos de inmersión Energía de choque: 6 J 8 Protección contra los efectos de inmersión prolongada 9 Energía de choque: 20 J
  45. 45. Placa de características eléctricas
  46. 46. Placa de características eléctricas
  47. 47. Placa de características eléctricas
  48. 48. Placa de características eléctricas
  49. 49. Principio de funcionamiento Máquinas síncronas • Se basa en la ley de Faraday. Para crear tensión inducida en el devanado inducido o de armadura (estator), se debe crear un campo magnético en el inductor o rotor. • El campo magnético en el rotor se crea mediante la circulación de una corriente continua ingresada en la máquina a través de anillos rozantes y escobillas (corriente de excitación). • El rotor gira por la máquina motriz acoplada al eje. • El giro del campo magnético del rotor inducirá una f.e.m. o tensión en el devanado inducido o de armadura (estator) que al estar conectada una carga, producirá la circulación de una corriente alterna fluyendo a través de él. • La corriente alterna del estator, por el Teorema de Ferraris, crea un campo magnético giratorio a igual velocidad del rotor.
  50. 50. • Un generador sincrónico tiene dos partes activas: - Un rotor (devanado inductor concentrado o distribuido en ranuras) excitado por DC. - Un estator (devanado inducido distribuido formando un arrollamiento trifásico), en el que se genera una fuerza electromotriz AC. • En máquinas pequeñas < 10 kVA, el devanado inductor esta en el estator. • En máquinas grandes que pueden llegar a 1.000 – 1.500 MVA la colocación de los devanados es inversa. • La manera en que las partes activas de una máquina sincrónica se enfrían, determina su tamaño y su estructura. Principio de funcionamiento Máquinas síncronas
  51. 51. Principio de funcionamiento Máquinas síncronas V E0 V
  52. 52. Fotografías máquinas síncronas
  53. 53. Fotografías máquinas síncronas
  54. 54. Sistemas de excitación Sistema de excitación con dínamo excitatriz Sistema de excitación electrónico
  55. 55. Funcionamiento en vacío a c a' b' b c' + - El esquema simplificado de la máquina síncrona de polos salientes. Al girar el rotor a la velocidad n se inducen fem’s en los arrollamientos de las 3 fases del estator que están desfasados 120° que corresponden a la separación espacial. Si se consideran N espiras de cada fase concentradas y que los flujos concatenados por las mismas varía entre los límites + φm y – φm, el valor medio de la fem indicada de cada fase será: mmed φ- φmed T72 0 T72 0med φNf4E dφN T 2 E dt dt) dφ N( T 2 dte T 2 E m m = −= −== ∫ ∫ ∫ +
  56. 56. El valor eficaz de la fem es igual al valor medio multiplicado por el coeficiente de forma Kf de la onda producida. El voltaje generado E (fem eficaz) está dado por la expresión: En dónde: Фm = es el flujo máximo en la máquina (función de Ie) f = es la frecuencia eléctrica Kf = es el coeficiente de forma de la onda producida mf φNfKE 4= Funcionamiento en vacío Ie E
  57. 57. Teniendo en cuenta que las espiras están distribuidas sobre la periferia del estator, pudiendo existir al mismo tiempo acortamientos de cada bobina, la fem se verá afectada por los coeficientes de devanado. En consecuencia: En dónde: Kd = es el coeficiente de distribución Ka = e el coeficiente de acortamiento de los devanados del inducido Funcionamiento en vacío madf φNfKKK4E = Ie E
  58. 58. Para obtener una fem senoidal en los devanados del estator es necesario la distribución senoidal de la inducción magnética B a lo largo de la periferia del rotor. Para conseguir que la distribución de B sea senoidal, habrá que aumentar el entrehierro desde el centro del polo hasta uno de sus extremos, ya que de esta forma aumenta la reluctancia gradualmente, conduciendo a que B se parezca más a la forma senoidal. Funcionamiento en vacío
  59. 59. La forma de onda de la expresión anterior no es completamente senoidal lo que significa la presencia de armónicos. En forma general, no se llegará a la senoide perfecta y por tanto la fem resultante contendrá armónicos. Estos armónicos se reducen por la distribución y acortamiento de bobinas del inducido que le componen. En máquinas con rotor cilíndrico, la obtención de una forma de B senoidal se logra por una adecuada distribución del arrollamiento de excitación a lo largo de la periferia del rotor. Funcionamiento en vacío
  60. 60. La característica de funcionamiento en vacio es la curva Eo = f (Ie) que expresa la fem en bornes en función de la corriente excitación. Determinación de la curva en forma experimental. La relación entre el voltaje generado y la corriente de excitación Ie se conoce como característica de saturación del generador: Ie (amperios) Eo (voltios) Funcionamiento en vacío Saturación del núcleo Línea del entrehirerro
  61. 61. Funcionamiento con carga Reacción del inducido Carga variable IR IS IT Ie
  62. 62. Funcionamiento con carga Reacción del inducido Cuando una corriente circula por el inducido, el flujo ya no esta engendrado solo por el inductor , sino que a la acción de éste se le superpone el flujo creado por el inducido. Este fenómeno se denomina reacción del inducido. Con la corriente del inducido se produce: - una caída de tensión en el inducido (en la resistencia y reactancia) - a la vez se produce una fmm que reacciona con la del inductor modificando el flujo del entrehierro de la máquina. 1.La caída de tensión en el circuito se produce en la resistencia y la inductancia de dispersión del inducido (estator). 2.La reacción del inducido depende de la magnitud y de la fase de la corriente.
  63. 63. Se debe considerar la reactancia del inducido que se debe al flujo de dispersión del estator que no interacciona con el flujo del rotor. Este flujo de dispersión se desarrolla en las cabezas de las bobinas y dentro de las ranuras donde se sitúa el devanado. Este flujo de dispersión permite definir un coeficiente de autoinducción Lδ que da lugar a la reactancia de dispersión del estator (Xδ). donde: Xδ = Lδ 2 π f Funcionamiento con carga Reacción del inducido
  64. 64. En esta reactancia Xδ tiene lugar la caída de tensión inductiva de la máquina síncrona, cuya magnitud a plena carga puede alcanzar valores entre el 10% al 15% de la tensión asignada del inducido. El efecto que provoca la fmm del inducido sobre la fmm del inductor, modificando el flujo del entrehierro de la máquina, se denomina "reacción del inducido" y sobre él tiene influencia la magnitud y el ángulo de fase de la corriente del estator. Funcionamiento con carga Reacción del inducido
  65. 65. Flujo de excitación inductor (rotor) Flujo del inducido (estator) Funcionamiento con carga Reacción del inducido
  66. 66. Funcionamiento con carga Reacción del inducido Flujo de excitación inductor (rotor)Flujo del inducido (estator)
  67. 67. Funcionamiento con carga Reacción del inducido Flujo del inducido (estator) Flujo de excitación inductor (rotor)
  68. 68. Ф ФR ФR Ф ФR Ф Funcionamiento con carga Reacción del inducido
  69. 69. Curvas características de un alternador para distintos tipos de cargas 1. Corriente de excitación constante, y 2. carga variable 1. Voltaje en la carga constante, y 2. carga variable Corriente de carga Corriente de carga Voltaje en bornes Corriente de excitación Corriente de corto circuito
  70. 70. Máquina con rotor cilíndrico Impedancia síncrona Se denomina método de Behn-Eschenburg y se aplica a máquinas con rotor cilíndrico que trabaja en régimen lineal. Este método permite obtener un circuito eléctrico equivalente de la máquina síncrona. En la máquina están implicados tres flujos: El flujo de dispersión øδ que esta en fase con la corriente del inducido y que da lugar a una caída de tensión en la reactancia de dispersión Xδ, produce una caída de tensión (adelantada 90° con respecto a I del inducido) E δ = + j Xδ I El flujo de excitación øe producido por la fmm Fe y en fase con ella, que es la causante de la fem producida en vacio E0, misma que esta retrasada (según Ley de Faraday) en 90 ° respecto al flujo øe.
  71. 71. Máquina con rotor cilíndrico Impedancia síncrona El flujo de reacción del inducido øi ("p"), producido por la fmm Fi, esta en fase con la corriente I del inducido produce una caída de tensión Ep (retrasada 90° con respecto a la corriente del inducido I). Ep = - j Xp I En la siguiente Figura, se consigue sustituir el triángulo rayado de fmm por otro triángulo semejante de fem por la proporcionalidad entre magnitudes consecuencia de considerar un circuito magnético lineal. Triángulos semejantes Caída de tensión Ep por reacción del inducidoFr = Fe+ Fi Fe = fmm de excitación Fi = fmm de reacción del inducido
  72. 72. Máquina con rotor cilíndrico Circuito equivalente Xs = Xδ + Xp (reactancia síncrona) Zs = R + j Xs (impedancia síncrona) Eo = fem en vacío, (V) V = voltaje en bornes de máquina síncrona (V) R = resistencia del inducido por fase (ohm) Xs = reactancia síncrona por fase (ohm) Xδ = reactancia de dispersión por fase (ohm) Xp = reactancia de reacción del inducido (ohm) I = intensidad de corriente (A) Φ = ángulo de desfasamiento de la carga
  73. 73. Características de la carga Eo φ φ φ=0 V V V Eo Eo
  74. 74. Prueba de vacío: VE 0I 0 = = Prueba de vacío Se pone en marcha hasta conseguir la velocidad de sincronismo. Se regula la corriente de excitación desde 0 hasta Ie para producir un valor en bornes equivalente a Vn. Este Vn corresponde a la fem en vacío E0 que es la tensión en los terminales de la máquina cuando la corriente del inducido I es nula. Al no existir corriente de inducido I, el motor primario deberá vencer únicamente las pérdidas mecánicas y las del hierro. E0 I = 0
  75. 75. Prueba de cortocircuito: Prueba de cortocircuito 22 SS corto 0 s cortoscortos0 RZX I E Z IZI)Xj(RE 0V −= = =+= =Se pone en marcha hasta conseguir la velocidad de sincronismo. Se regula la corriente de excitación desde 0 hasta Ie para producir un valor de corriente nominal en el inducido (In). El voltaje nominal es igual a cero (Vn=0). Se regula la corriente de excitación Ie hasta alanzar el 130% de In. El motor primario deberá vencer las pérdidas mecánicas y las del cobre del inducido (las del hierro son pequeñas en razón de ser el flujo reducido). El valor de la R se puede medir con ohmetro.
  76. 76. Prueba de cortocircuito El circuito equivalente al cortocircuito se presenta a continuación (por simplicidad se ha considerado R = 0). El flujo en el entrehierro es el que crea la fem resultante Er. Se parte de la Icc en el eje imaginario negativo (-90°), la fem E0 estará situada en el eje real (0°) y es del orden la tensión nominal. La fmm necesaria para crear E0 será Fe (adelantada 90°). La fmm de reacción del inducido Fi es totalmente desmagnetizante y se opone a la fmm de excitación Fe.
  77. 77. Prueba de vacío y cortocircuito fO' Od (saturada)Z eO' Od saturada)(noZ s s = = Zs varía debido a saturación de la máquina. Zs es constante para excitaciones pequeñas y la característica de vacío coincide con la recta del entrehierro, dando lugar a la Zs no saturada. En la práctica la máquina trabaja en el codo de la curva de vacío. Zs para fines prácticos se acostumbra tomar el valor saturado Corriente de excitación
  78. 78. Prueba de vacío y cortocircuito En la práctica la recta de cortocircuito tiende a saturarse para valores de la corriente de cortocircuito del orden de 1,2 a 1,3 veces la corriente nominal. fO' Od (saturada)Z eO' Od saturada)(noZ s s = = Partiendo de este valor de impedancia la reactancia síncrona será: Corriente de excitación 22 ss RZX −=
  79. 79. • Aplica a máquinas síncronas de rotor cilíndrico (Método de Potier) que trabajan en zona de saturación. • El Método de Potier determina: 1) la caída de tensión en la reactancia de dispersión X δ (E δ = + j Xδ I); y, 2) la fmm que produce la reacción del inducido (Fi). • Para aplicar el Método de Potier es necesario conocer la curva de vacío Eo en función de la fmm Fe (Ie) y además realizar un ensayo con carga inductiva pura. Máquinas síncrona. Análisis no lineal
  80. 80. Máquinas síncrona. Análisis no lineal • Se observa que los fasores V, XδI y Er están en fase, al igual que las fmm Fe, Fr y – Fi, presentando ésta última el efecto desmagnetizante. • Para obtener V en bornes, la Ie es igual a OF (Fe); si MF indica la fmm de reacción del inducido (Fi); OM equivale la fmm resultante (Fr) • (Fr = Fe – Fi) o (OM = OF – MF). • La fmm Fr (OM) induce la fem resultante Er = MC • Conociendo los puntos A y A’ puede construirse el triángulo ABC. Reacción del Inducido
  81. 81. • La fmm del inductor Fe es opuesta a la del inducido Fi (des magnetización). • En la curva reactiva, para obtener V es necesario el equivalente OF. • MF representa la fmm de reacción del inducido Fi • La Fr (OM) induce una fem resultante Er = MC • La fem por la reactancia de dispersión es: Xδ I = CB = E δ Máquinas síncrona. Análisis no lineal
  82. 82. Máquinas síncrona. Análisis no lineal • Asumiendo constante Xδ se puede desplazar el triángulo ABC denominado triángulo de Potier obteniendo A’B’C’. • De esta manera OA’ puede obtenerse de la prueba con carga reactiva. • Realmente CB que es la fem de dispersión no da Xδ I sino una nueva reactancia denominada reactancia de Potier que es algo superior a Xδ, esto se debe a que la curva de vacío que expresa la relación Eo = f(Fe) no es la misma que la que define la fem resultante Er en función de Fr y que se han considerado idénticas. Se explica por el aumento del flujo de dispersión del rotor a medida que aumenta la corriente del rotor. • La diferencia entre reactancias de dispersión y Potier no es grande en máquinas de rotor cilindrico y puede considerarse la misma. • Conocidas estas magnitudes podrá construirse el diagrama fasorial para deducir la regulación de la máquina y la fem Eo.
  83. 83. Máquinas polos salientes. Regulación tensión Características: Entrehierro variable. Mayor entrehierro en el eje de cuadratura o transversal (región media entre polos o línea interpolar). La reacción del inducido se descompone en dos: fmm de reacción de eje directo (Fd) o longitudinal y fmm de reacción en eje cuadratura o transversal (Fq). Eje d (directo) Eje q (cuadratura)
  84. 84. Máquinas polos salientes. Regulación tensión Existen tres fmm que interaccionan en la máquina: Fe (de excitación); Fd (reacción inducido eje directo); y, Fq (reacción inducido eje cuadratura), que al considerar la teoría lineal de la máquina se puede asumir que son flujos independientes que crean a su vez fem’s inducidas. E pd = - j Xpd Id ; E pq = - j Xpq Iq ; I = Id + Iq E pd = fem de reacción del inducido eje directo E pq = fem de reacción del inducido eje cuadratura Debe tenerse en cuenta que la fem de vacío E0 producida por le inductor actúa en el eje q, puesto que debe ir retrasada 90° respecto a la línea de los polos. Considerando la fem producida por la reactancia de dispersión.
  85. 85. Máquinas polos salientes. Regulación tensión qqddo qsq dsd pqδsq pdδsd qpqδdpdδo qd qpqdpdδo qd qpqpq dpdpd IjXIjXVE XX XX XXX XXX )IXj(X)IXj(XVE )II(IdoReemplazan IjXIjXIjXRIVE III ;IjXE ;IjXE ++= = = += += ++++= += ++++= += −= −= Epd y Epq = fem reacción del inducido de eje directo y eje cuadratura Xd y Xq pueden ser determinadas prácticamente mediante pruebas de deslizamiento. Las variables conocidas son V, I y el desfase φ. Los componen Id e Iq de la corriente del inducido dependen del ángulo ψ.
  86. 86. Máquinas polos salientes. Regulación tensión dqdqd odqdqo dqddo )IX(Xsenψ*)IX(Xbd bcdtriànguloelEn δψ OdE;)IXj(XIjXVE )I(IjXIjXVE −=−= += =−++= −++= ϕ V+jXq *I ab = Xq I ac = Xd I bc = (Xd - Xq)I j Xq I ψ O O
  87. 87. Una forma práctica de comparar el comportamiento de la tensión generada por dos máquinas sincrónicas, es a través de la comparación del factor denominado regulación de voltajeregulación de voltaje (Ɛ). El Ɛ de un generador síncrono para una determinada carga, factor de potencia, y, velocidad nominal, se define como: En donde: Vfl = es la tensión a la salida del generador a full carga Enl = (equivalente a E0 ) es la tensión en los bornes sin carga (tensión interna), a velocidad nominal, cuando se quita la carga sin necesidad de cambiar el campo actual. En los generadores con factor de potencia bajo (+), el Ɛ es altamente positivo. Para factores de potencia medios, Ɛ es positivo, y, para factores de potencia altos (-), el Ɛ es negativo. 100% V VE ε fl flnl × − = Máquina síncrona. Regulación del voltaje
  88. 88. Funcionamiento Alternador en red aislada • La cantidad de redes aisladas son mínimas. • Cuando el generador está funcionando aisladamente de un sistema eléctrico (o sea, está en una isla de potencia), la excitación del campo controla la tensión eléctrica generada. • El funcionamiento del generador (características de operación) varía con el factor de potencia. • Se incorpora el regulador de tensión que al variar la corriente de carga del generador permite estabilizar la tensión actuando sobre la excitatriz (Ie).
  89. 89. • La máquina primaria (turbina) tiene un regulador de velocidad que actúa sobre la entrada del agua en turbinas hidráulicas, manteniendo constante la velocidad y por tanto la frecuencia. Funcionamiento Alternador en red aislada
  90. 90. • Regulador de tensión incorporado a la excitatriz para variar la corriente de campo lo que permite controlar la tensión de salida. • Regulador de velocidad actúa sobre la entrada del caudal de agua (turbina hidráulica), permitiendo controlar la velocidad y por consiguiente la frecuencia. Regulador de velocidad Funcionamiento Alternador en red aislada
  91. 91. Alternador acoplado al SNI • Cuando el generador está conectado a una barra infinita (sistema eléctrico que posee diversos generadores interconectados con tensión y frecuencia constantes), la excitación del campo controla la potencia reactiva generada y el caudal (turbina hidráulica) controla la potencia activa generada. • Para abastecer la demanda se conectan varios grupos de generadores en paralelo. La red así constituida “equivale” a un generador gigantesco en el que prácticamente la tensión y frecuencia se mantienen constantes.
  92. 92. Alternador acoplado al SNI • En Ecuador la capacidad instalada (efectiva) en generación es de 7.643 MW (marzo-2017). Infraestructura del SNI al 2017
  93. 93. Alternador acoplado al SNI • En Ecuador la capacidad instalada (efectiva) en generación es de 7.643 MW (marzo-2017). Coca Codo Sinclair 1500 MW Sopladora 487 MW CENTRALES HIDROELÈCTRICAS Delsitanisagua 180 MW Minas San Francisco 275 MW
  94. 94. Alternador acoplado a la red • La conexión en paralelo de un alternador (generador) implica una serie de operaciones complejas que se denomina sincronización de la máquina. • Para sincronizar un alternador es necesario que la tensión instantánea del generador tenga igual magnitud y fase que el valor instantáneo de la tensión de la red. CC Con frecuencia de 60 Hz – RED (S. N.I. - ω) Con frecuencia de 58 Hz – Generador (ω’) A2 V/V’ f/f’ Vo S 2 ω'ω ωyωω tsenω*tsenωV22V bo b0FRR' − =≈ −= ω’ ωo
  95. 95. Alternador acoplado a la red • Condiciones para acoplar en paralelo un alternador: 1) Las frecuencias de ambas tensiones deben ser iguales. 2) La tensión del generador debe tener un valor eficaz igual a la tensión de la red y sus fases deben coincidir. 3) Identidad de fases (R-R’; S-S’; T-T’) 4) Las secuencias de fases del alternador y la red deben ser idénticas.
  96. 96. Alternador acoplado a la red Lámparas de sincronización
  97. 97. Montaje equipos en Isimanchi
  98. 98. Montaje equipos en Isimanchi
  99. 99. Montaje equipos en Isimanchi (Regulador de Velocidad)
  100. 100. Proceso de sincronización 1. Llevar la máquina A2 hasta una velocidad próxima a la de sincronismo. 2. Excitar la máquina A2 de forma que el voltímetro U2 indique el mismo valor que el voltímetro U1. 3. Comprobar que las lámparas se enciendan y apaguen simultáneamente (máximos y mínimos simultáneos). Si se presenta luces giratorias es preciso cruzar dos conexiones. 4. Actuar sobre la velocidad de A2 para ir reduciendo el parpadeo. Usar el interruptor de acoplamiento cuando el apagado de las lámparas dure unos 4 a 5 segundos. Cuando las agujas se para en “0” las frecuencias son iguales y cuando las frecuencias difieren la aguja gira en uno o en otro sentido.
  101. 101. Proceso de sincronización 1. Llevar la máquina A2 hasta una velocidad próxima a la de sincronismo. 2. Excitar la máquina A2 de forma que el voltímetro U2 indique el mismo valor que el voltímetro U1. 3. Comprobar que las lámparas se enciendan y apaguen simultáneamente (máximos y mínimos simultáneos). Si se presenta luces giratorias es preciso cruzar dos conexiones. 4. Actuar sobre la velocidad de A2 para ir reduciendo el parpadeo. Usar el interruptor de acoplamiento cuando el apagado de las lámparas dure unos 3 segundos. HIDRO TERMO NUCLEAR DERIVADO CENTRO DE CARGA CENTRO DE CARGA TRAFO TRAFO TRAFO TRAFO BARRA INFINITA 230 kV LINEA DE TRANSMISION A OTRAS ZONAS GEOGRAFICAS
  102. 102. Potencia activa y reactiva de máquina síncrona (polos lisos) acoplada a red infinita s Xj senδ o EjV)cosδ o (E doReemplazan senδEjcosδEδE doConsideran s Xj QjP3 ) i Rndo(desprecia s Xj ooo +− = +=∠= − = +== += I E V o E I VIS IV o E o * Eosenδ Eo cos δ
  103. 103. Potencia activa y reactiva de máquina síncrona (polos lisos) acoplada a red infinita s X 2VcosδV o E 3jsenδ s X V o E 3 s Xj- senδ o Ej-V)cosδ o (E − += − = S 3VS Eosenδ Eo cos δ
  104. 104. Potencia activa y reactiva de máquina síncrona (polos lisos) acoplada a red infinita s X 2VcosδV o E 3Q s X V o 3E max Psenδ max Psenδ s X V o 3E P − = =⇒== Eosenδ Eo cos δ • La variación del regulador de velocidad de la turbina provoca un cambio en la potencia activa que entrega la máquina, que se ve reflejada físicamente como una modificación en el ángulo δ que forma la fem E0 con la V. • La variación de la corriente de excitación provoca un cambio en la potencia reactiva que entrega la máquina pero no afecta a la potencia activa que puede ceder o absorber.
  105. 105. Potencia activa y reactiva de máquina síncrona (polos lisos) acoplada a red infinita 1. A δ se denomina ángulo de potencia y también ángulo de carga. 2. Si δ>0 la potencia activa es positiva y corresponde al funcionamiento como generador síncrono. 3. Si δ<0 la potencia activa es negativa, la máquina recibe potencia activa de la red y trabaja como motor síncrono entregando potencia mecánica en el eje. Motor Generador Angulo δ Eo Eo
  106. 106. Potencia activa y reactiva de máquina síncrona (polos lisos) acoplada a red infinita Si δ>0 la potencia activa es positiva y corresponde al funcionamiento como GENERADOR síncrono. Si δ<0 la potencia activa es negativa, la máquina recibe potencia activa de la red y trabaja como MOTOR síncrono entregando potencia mecánica en el eje. P (+) P (-) Eo V I jXsI - δ φ Q > 0 Q < 0
  107. 107. Analogía Mecánica de la Máquina Síncrona Eo Eo Eo Eo Eo
  108. 108. Balances de potencias. Rendimiento
  109. 109. • Un motor síncrono, físicamente es la misma máquina que un generador, salvo que la dirección del flujo de potencia se invierte. • Los motores síncronos se utilizan para convertir energía eléctrica en mecánica. • Los motores síncronos habituales se fabrican para la industria pesada, en potencias de entre 150 KW (200 HP) y 15 MW (20.000 HP), y, tienen velocidades de giro de entre 150 a 1800 rpm. Motor síncrono
  110. 110. • Los motores síncronos que pueden arrancar en vacío (sin carga mecánica), la puesta en marcha se realiza por medio de un motor auxiliar (motor pony), generalmente asíncrono con igual número de polos que el motor principal, de tal forma que se consigue una velocidad de rotación casi síncrona y la conexión a la red se realiza empleando equipos de sincronización al igual que el acoplamiento de un alternador a la red. • Se pueden emplear motores de CC para este fin con la ventaja que se puede regular su velocidad. • Otro procedimiento práctico consiste en su arranque como asíncrono para lo cual es necesario una jaula de ardilla sobre los polos de la máquina. Motor síncrono
  111. 111. • Los motores síncronos se utilizan generalmente en tamaños grandes, porque en tamaños pequeños son más costosos en comparación con las máquinas de inducción. • El factor de potencia de la máquina sincrónica se puede controlar muy fácilmente mediante el control de la corriente de campo. Motor síncrono
  112. 112. • La condición más grave que le puede ocurrir a un generador síncrono es el cortocircuito trifásico. Este fenómeno físico da lugar a la definición de nuevas reactancias síncronas en el comportamiento transitorio. • La figura presenta la naturaleza de la variación de la corriente en una de las tres fases en el momento del cortocircuito. • Los valores pico de la corriente (máximo positivo y negativo) se define por la envolvente ab y ef. La corriente cd, equidistante entre las envolventes, representa una corriente unidireccional (CC) que cae lentamente, sobre la que se superpone otra de CA que también se amortigua con el tiempo (ver figura siguiente lámina). Transitorio de cortocircuito de una máquina síncrona
  113. 113. • Las envolventes de la nueva figura (una de ellas a’b’) serán simétricas. • Esta figura se denomina señal componente simétrica de la CA de cortocircuito. • La aparición de estas componentes se basa en el concepto de flujo atrapado. • La componente simétrica puede dividirse en tres periodos: 1) subtransitorio, durante el primer ciclo luego de la falla; 2) transitorio, disminuye con mayor lentitud; y, 3) estacionario, la corriente alcanza el régimen permanente. Transitorio de cortocircuito de una máquina síncrona Subransitorio Transitorio Permanente
  114. 114. • En el periodo subtransitorio, la corriente de cortocircuito está limitada en el estator únicamente a la reactancia de dispersión. • Al no poder cambiar el flujo instantáneamente para contrarrestar el efecto desmagnetizante de la corriente en el inducido, aparecerán corrientes en el devanado de excitación (Xe) y en los devanados amortiguadores (Xa), siendo Xp la reactancia de reacción del inducido. El equivalente de este circuito se denomina reactancia subtransitoria (Xs"). Transitorio de cortocircuito de una máquina síncrona Subransitorio Transitorio Permanente
  115. 115. Transitorio de cortocircuito de una máquina síncrona Subransitorio Transitorio Permanente '' '' '' s 0 pea δs X E I X 1 X 1 X 1 1 XX = ++ +=
  116. 116. • El efecto del devanado amortiguador desaparece después de los primeros ciclos a causa de que la resistencia de este bobinado es mayor que la del devanado de excitación. La reactancia equivalente se denomina reactancia transitoria (Xs’). Transitorio de cortocircuito de una máquina síncrona Subransitorio Transitorio Permanente ' ' ' s 0 pe δs X E I X 1 X 1 1 XX = + +=
  117. 117. • Después del periodo transitorio desaparece la corriente de excitación dando lugar al periodo permanente y a la reactancia síncrona normal Xs. Transitorio de cortocircuito de una máquina síncrona Subransitorio Transitorio Permanente s 0 corto pδs X E I XXX = +=

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