Capitulo 4 - Maquinas Sincrónicas

 

Máquinas Sincrónicas

 

Generalidades Principio de funcionamiento Rotor con corriente continua: induce campo magnético rotatorio de magnitud proporcional a la corriente de campo. -

-los Seenrollados induce tensión del en estator: flujo variable.

 

 La máquina síncrona: generalidades I La máquina síncrona utiliza un estator constituido por un devanado trifásico distribuido a 120º idéntico a la máquina asíncrona El rotor puede ser liso o de polos salientes

El rotor está formado por un devanado alimentado desde el exterior a través de escobillas y anillos rosantes mediante corriente continua

Industrialmente es el generador utilizado en la mayoría de las centrales eléctricas: turboalternadores y grandes alternadores hidráulicos Como motor usa principalmente cuando se requiere corregir factor dese potencia, o bien en aplicaciones de velocidad estrictamente constante

   

 La máquina síncrona:

 

generalidades II Rotor

Líneas de campo

liso

Rotor de polos salientes

  entido de llas as corrientes corrien tes por el rotor

S

N N

S

Elevadas velocidades de giro: turboalternadores

N

S

 Velocidades de giro bajas

 

Generalidades Característica de tensión Tensión inducida en bornes es función de la velocidad y amplitud campo magnéticodel rotatorio. La curva satura a medida que se satura el núcleo. En zona lineal: Efn = G

If .

 

Generalidades Observaciones: -

La frecuencia de las corrientes y tensiones siempre corresponde a la sincrónica:  

 

 = elec

-

 * (n°polos/2) mec

  Si la máquina sincrónica está conectada a la red

(barra infinita), su velocidad queda fija según la frecuencia de la red.  La máquina sincrónica solo presenta torque no nulo a velocidad síncrona. -  Para efectos del modelo, despreciamos la resistencia de estator y usamos solo la reactancia sincrónica. -

 

Máquinas de polos salientes -

-

 Físicamente los polos (N-S) sobresalen.  Inductancia mutua rotor – estator no es constante.  Más complejidad al modelar inductancias.

En general se usan máquinas de polos salientes con varios polos (por ejemplo 36), en generadores hidráulicos. Operan a baja velocidad y poseen rotores de gran diámetro.

 

Máquinas de polos salientes

 

Máquinas de rotor cilíndrico -

 Rotor liso.

-

 Inductancia mutua rotor – estator es constante.

-

 La simetría del rotor facilita la

-

modelación de la máquina.  Estudiaremos modelo de la máquina de rotor cilíndrico

En general se usan máquinas de rotor cilíndrico, con pocos polos (2, 4 o 6), en generadores térmicos operando a alta velocidad. A esta velocidad las pérdidas por roce se reducen en un rotor liso. Poseen rotores alargados y de poco diámetro.

 

Máquinas de rotor cilíndrico cilíndrico

 

Modelo del generador sincrónico E  δ  V  0 I     I    

 jX S Esin δ  XS

 j

V  Ecosδ  XS

S g en  V  I * S g en

V  E  co coss δ   V 2 V  E  sin δ     j XS XS

¡Recordar que estamos usando el modelo en p.u., con tensiones entre fases y potencia trifásica! Luego, la corriente calculada es corriente de línea (multiplicando porpor la la corriente base) y la potencia aparente es trifásica (multiplicando base respectiva).

 

Modelo del generador sincrónico

Generador “Sobre-excitado”

Generador “Sub-excitado”

  < 0, d > 0

  > 0, d > 0

I en atraso

I en adelanto

Generador inductivo

Generador capacitivo

Factor de potencia en atraso

Factor de potencia en adelanto

Qgen > 0

Qgen < 0

 

Modelo del motor sincrónico I    

V  0  E  δ

I     

 jX S Esin δ  XS

 j

Ecosδ   V XS

Scon  V  I * 2   V  E  si sin n δ V - V  E  cosδ  Scon    j XS XS

 

Modelo del motor sincrónico

Motor “Sobre-excitado”

Motor “Sub-excitado”

  > 0, d < 0

  < 0, d < 0

I en adelanto

I en atraso

Motor capacitivo

Motor inductivo

Factor de potencia en adelanto

Factor de potencia en atraso

Qcon < 0

Qcon > 0

 

Motores síncronos

Catálogos comerciales

 

Generadores síncronos I  L. Serrano: Fundamentos de

máquinas eléctricas rotativas

 L. Serrano: Fundamentos de

máquinas eléctricas rotativas

 L. Serrano: Fundamentos de máquinas eléctricas rotativas

 

Generadores síncronos II  L. Serrano: Fundamentos de

máquinas eléctricas rotativas

 Mulukutla S. Sarma: Electric

machines

 

Corte transversal de una central hidráulica

Rotor

 Mulukutla S. Sarma: Electric

machines

 

Principio de funcionamiento funcionamiento:: motor

EL ROTOR GIRA A LA MISMA VELOCIDAD QUE EL CAMPO: VELOCIDAD DE SINCRONISMO

NS



  60  f 

P

ESTATOR= Devanado trifásico distribuido alimentado con un sistema trifásico de tensiones CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO ROTOR= Devanado alimentado con corriente continua que crea un campo magnético fijo

Controlando la excitación (tensión de alimentación del rotor) se consigue que la máquina trabaje con cualquier factor de

INTERACCIÓN ROTOR - ESTATOR 

potencia: PUEDE ABSORBER O CEDER Q

PAR MOTOR Y GIRO DE LA MÁQUINA

 

 

 Principio de funcionamien funcionamiento: to: generador N P=PARES DE POLOS f   P

DE 60 N=VELOCIDAD GIRO

Para conectar el generador a una red es necesario que gire a la velocidad de sincronismo correspondiente a la frecuencia de dicha red Controlando la excitación (tensión de alimentación del rotor) se consigue que la máquina trabaje con cualquier factor de potencia: PUEDE ABSORBER O CEDER Q

ESTATOR= Devanado trifásico distribuido a la carga o red que conectado se desea alimentar ROTOR= Devanado alimentado con continua fijo. que crea uncorriente campo magnético Se hace girar por un medio externo El campo creado por el rotor, al girar, induce FEM en el estator y, por tanto, hace circular corriente por la carga

TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA EN ENERGÍA ELÉCTRICA

 

Circuito equivalente (por fase) de la máquina síncrona Reactancia síncrona= reactancia dispersión estator+efecto de reacción de inducido

Reactancia Resistencia síncrona estator  jXs 

IG 

 

Rs 

IM 

A

+

 jXs 

 

Rs 

A

+

V 

E 

Funcionamiento como generador

B

V 

E 

Funcionamiento como motor

B

La FEM E es proporcional a la corriente de excitación del rotor. En funcionamiento como generador representa a la tensión que se induce en el estator y en funcionamiento como motor a la fuerza contraelectromotriz que es necesario “vencer” para que circule la corriente que

alimenta al motor  

El generador síncrono en vacío Reactancia síncrona

 jXs 

IG 

Resistencia  

  Tensión en vacío V 

20  

estator Rs 

 

kV

A 15

+

18kV 390MVA

E 

V 

Funcionamiento como generador

3000RPM 

10  

B

Cuando generador trabaja en vacío no hayel caída de tensión: la tensión de salida coincide con la FEM E   VELOCIDAD   N E K  DE GIRO FLUJO

5 

PROPORCIONAL A IEXC

Iex c  

500

(A )  1000   1500   2000

(por polo)

 

El generador síncrono en carga: reacción de inducido I Cuando el alternador trabaja en vacío el único flujo existente es el producido por la corriente continua de excitación del rotor Cuando suministra corriente a una carga, dicha corriente produce un campo magnético giratorio al circular por los devanados del estator. Este campo produce un par opuesto al de giro de la máquina, que es necesario contrarrestar mediante la aportación exterior de potencia mecánica.

El flujo total de la máquina se verá disminuido o aumentado dependiendo que la carga sea inductiva o capacitiva  A este efecto creado por el campo del estator se le conoce con el nombre de reacción de inducido” 

 “

 

El generador síncrono en carga II    jX s 

I G 

 

Rs 

E

 jXs  

A Carga resistiva

+

I

V 

E 

Funcionamiento como generador

B

RI 

U

Carga

 

E

 jXs Carga Inductiva    U

PARA UNA MISMA TENSIÓN SALIDA EL GENERADOR PUEDE CEDER DE O ABSORBER POTENCIA REACTIVA DEPENDIENDO DE QUE LA CARGA SEA INDUCTIVA O CAPACITIVA

I

Para basta modificar el de valor deconseguirlo la E (modificando la corriente

Carga capacitiva

RI  E

 jXs  

I

 

RI 

U

campo)

 

El generador síncrono en carga: funcionamiento aislado EL GENERADOR ALIMENTA

FUNCIONAMIENTO  AISLADO

 Aumento en la excitación

 Aumento en potencia mecánica

 Aumento en la tensión de salida

 Aumento en la velocidad de giro

 A UNA CARGA DE FORMA INDEPENDIENTE La tensión de alimentación puede variar

El factor de potencia de la carga es fijo  Aumento en la frecuencia

 

 El generador síncrono en carga: conexión a red de P. infinita CONEXIÓN A RED DE POTENCIA INFINITA

 Aumento en la excitación

 Aumento en potencia mecánica

 Aumento en la POTENCIA REACTIVA ENTREGADA

 Aumento de la POTENCIA  ACTIVA ENTREGADA

EL GENERADOR ESTÁ CONECTADO  A OTRA RED EN LA QUE QUE ACTÚAN OTROS GENERADORES: SU POTENCIA ES MUY PEQUEÑA RESPECTO DE LA TOTAL DE LA RED La tensión de alimentación ESTÁ FIJADA POR LA RED La frecuencia ESTÁ FIJADA POR LA RED

 

 

LA TENSIÓN U ESTÁ FIJADA POR LA RED  

 

E U

SOBREXCITACIÓN

 

E

3

  jX

NORMAL U

3 j XI

 

RI

2 

SUBEXCITACIÓN

GENERADOR SOBREXCITADO E

j XI 

 

U

 

GENERADOR SUBEXCITADO REDUCCIÓN DE LA POTENCIA REACTIVA SUMINISTRADA

2 

i 

 AUMENTO CORRIENTE  AUMENTO DEL ÁNGULO

 AUMENTO DE LA POTENCIA REACTIVA SUMINISTRADA

R I 

SUMINISTRADA

 

Operación en 4 cuadrantes

 

 Variación de la velocidad en los motores síncronos PARA VARIAR LA

El motor síncrono gira a la velocidad de sincronismo

 VELOCIDAD ES

60*f/p 

NECESARIO VARIAR  LA FRECUENCIA DE ALIMENTACIÓN  ALIMENTACIÓN 

CICLOCONVERTIDORES  APLICACIONES DE ELEVADA POTENCIA (>1 MW): GRANDES MÁQUINAS (Soplantes, compresores, etc.) Y PROPULSIÓN ELÉCTRICA BUQUES

INVERSORES

Motores gran potencia Motores baja potencia

UTILIZACIÓN DE EQUIPOS ELECTRÓNICOS   ELECTRÓNICOS

 

Diagrama de flujo de potencia de un generador síncrono.

 

Conexión o acoplamiento de alternadores en paralelo La aplicaciónmayor de alternadores en paralelo es conuna la finalidad suministrar potencia cuando se requiere mayor demanda de carga en un sistema eléctrico. Para poder llevar acabo el emparalelamiento de alternadores se debe de cumplir con las siguientes condiciones: 1. - Los voltajes rms de línea de los alternador alternadores es en paralelo deben de ser iguales. 2. - Los alternadores en paralelo deben de tener la misma secuencia de fase. 3. - Los ángulos de fases de los alternadores deben de ser iguales. 4. - La frecuencia de los alternadores deben de ser iguales.

 

Alternador en paralelo con la red eléctrica

 

Procedimi Procedimiento ento de acoplamiento. 1.- Se lleva la máquina A2 hasta una velocidad próxima a la de sincronismo. 2.- Se excita la máquina A2 de forma que el voltímetro U2 indique mismo valor que el voltímetro U1. 3.- Controlamos la velocidad de A2 para que la frecuencia f 2 sea aproximadamente igual a la frecuencia “ f 1” de la red eléctrica . 4.- Se comprueba que las lámparas se enciendan y apaguen simultáneamente. “Si se encienden y se apagan alternadamente es preciso cambiar dos conexiones”. 5.- Se cierra el interruptor de acoplamiento cuando el apagado de las lámparas l ámparas dure unos 3 segundos.

 

CURVA DE CAPABILIDAD La curva de capabilidad de un generador se deriva de manera simplificada sin tomar en cuenta el efecto de saturación y despreciando la resistencia y capacitancia en los devanados. Cuando la máquina síncrona opera en sus valores nominales, es decir; valores a los cuales los devanados y el núcleo alcanzan la temperatura de régimen de diseño, se obtienen las fronteras de la región de operación dentro de la cual la máquina no sufre daño ni

envejecimiento prematuro.  

Curva de capabilidad del generador de polos lisos Q

Estator: S    3 V nom  I nom

Límite de corriente de campo Límite de corriente en el estator

S    3 V nom  I nom

Rotor:  P  

VE   X  s

Límite mínimo de la fuente de energía mecánica

VE 

sen d 

r 

 X 

 s

Q  V   E cos d   V   X  s

 fp  0  .9

Recordando:



 

0

 MVA  MV Anom

m

 P 

1 pu

 P 2  Q 2  S 2 2

2   2  P   Q  V    (VE ) 2  X    X   2 2 2 ( x  a )  ( y  b)  r   s

Entonces:

d 

 s

(0,

V 

2

 j

)  X  s  0 .6 Q

Límite de calentamiento de cabezales o de

i

a0 b

m

Límite máximo de la fuente de energía mecánica

e V 

2

 X 

Q

h

subexcitación

Límite práctico de

 s

estabilidad

 

Curva de capabilidad del generador de polos salientes Estator:

Ángulo d  :   1  I  X q cos( ) d   tan V    I  X q sen( )

S    3 V nom  I nom

Rotor:  P  

VE   X d 

sen d  

V 2

(

1

2  X q

1



 X d 

Voltaje interno:

) sen( 2d )

2 2 d  q Q  VE  cos d   V  ( X    X  ) cos(2d )  V  ( 1  1 )  X d  2  X d  X q 2  X d   X q

 E   V  cos(d   )   I  X  d   sen(d    )

Ángulo máximo d m :

Recordando: d m

S    P   jQ



  1 cos

  C     8    B

   C   1        8 2     B    

VE  V 2  X d    X q (  ) ( )( sen( 2d )   j cos( 2d ))  ( send    j cos d ) S     j  X d  2  X d   X q 2  X d  X q V 2

1

A S    A   B  C 

1

B

C

2

 

Curva de capabilidad del generador de polos salientes Q S    A   B  C 

 A    j

V 2

(

1

2  X d 

1



 X q

S    3 V no m I nom

Límite de corriente en el estator

)

VE   X d 

 

m

V 2  X d    X q ( )(sen( 2d )   j cos( 2d ))  B  2  X d  X q 0 C  

Límite de corriente de campo

1 pu

(sen d    j cos d )

 MVA  MV Anom

 P 

C 

Límite practico dede estabilidad (margen 10%)

d 

10 %

2d 

Circulo de reluctancia

 A 2d m

 B

d m

Límite práctico de estabilidad permanente Límite teórico de

estabilidad permanente

Q

 

Condensador Síncrono  Suponiendo:  Ra

0  E 

Generador sobreexcitado:

 jX d  I 

 I  X d  cos  

d   

V 

 I  X d  sen  

 I   E 

Generador con excitación normal:

 jI  X d 

d 

 E cos d   I 

V 

 I  X d  sen    E   I 

Generador subexcitado:

    d 

 jX d  I 

 I  X d  cos  

 Lugares  geométricos de potencia constante  para :  E, I