GENERADOR SINCRONO

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 PRACTICA Nº 00-ECGA- UNICA- FIME- 2012. ESCUELA: VII – 1 ME. ASUNTO: GENERADOR SINCRONO FECHA: ICA, 02 DE AGOSTO DEL 2012

INTRODUCCIÓN. Los generadores sincrónicos o alternadores son máquinas sincrónicas que se usan para convertir potencia mecánica en potencia eléctrica de corriente alterna. Los generadores sincrónicos son además el principal responsable de la generación de energía eléctrica a partir de fuentes de energía primaria. La figura1-1 describe un generador sincrónico simple.

1. 2. 3.

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4. 5.GENERADOR SINCRONO. DEFINICION: El Generador Síncrono, o también llamado Alternador, es un tipo de máquina eléctrica rotativa capaz de transformar energía mecánica (en forma de rotación) en eléctrica. A estos también se los conoce también como maquinas síncronas, la razón por la que se llama generador síncrono es la igualdad entre la frecuencia eléctrica como la frecuencia angular es decir el generador girara a la velocidad del campo magnético a esta igualdad de frecuencia se le denomina sincronismo. El generador síncrono es uno de los elementos más importantes de un sistema de potencia, ya que éste se encarga de generar la energía eléctrica que será transmitida a grandes distancias para ser posteriormente utilizada por los usuarios. Los generadores síncronos funcionan bajo el principio de que en un conductor sometido a un campo magnético variable crea una tensión eléctrica inducida cuya polaridad depende del sentido del campo y su valor del flujo que lo atraviesa. Son los encargados de generar la mayor parte de la energía eléctrica consumida en la red, y su respuesta dinámica resulta determinante para la estabilidad del sistema después de una perturbación. Por ello, para simular la respuesta dinámica de un sistema eléctrico es imprescindible modelar adecuadamente los generadores síncronos. Esta máquina funciona alimentando al rotor o circuito de campo por medio de una batería es decir por este devanado fluirá CC. mientras que en el estator o circuito de armadura la corriente es alterna CA. Cuando un generador síncrono está sometido a carga, la tensión inducida sufre cambios por lo que se deberá utilizar equipos auxiliares que garanticen una óptima operación del mismo.

2.- CONSTRUCCION DE UN GENERADOR SINCRONO. Los generadores se construyen de diferentes modos para satisfacer diferentes cargas y necesidades del cliente. En la maquinas síncronas los devanados de campo están en el rotor, por lo que los términos devanados del rotor y devanado de campo se usan indistintamente. Por otra parte los devanados del inducido se encuentran

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 en el estator, por lo que los términos devanados del estator y devanados del inducido se usan indistintamente. El rotor de un generador síncrono es en esencia un electroimán grande. Los rotores se pueden construir con sus polos salientes o no salientes.

En un generador síncrono se aplica una corriente de cd al devanado del rotor, la cual produce un campo magnético en el rotor. Enseguida, el rotor del generador gira mediante un motor primario, y produce un campo magnético giratorio dentro de la máquina. Este campo magnético giratorio induce un conjunto de voltajes trifásicos dentro de los devanados del estator del generador. Dos términos que se utilizan comúnmente para describir los devanados de una máquina son devanados de campo y devanados de inducido. En general, el término “devanados de campo” se aplica a los devanados que producen el campo magnético principal en la máquina y el término “devanados del inducido” se aplica a los devanados donde se incluye el voltaje principal. En las máquinas síncronas, los devanados de campo están en el rotor, por lo que los términos “devanados del rotor” y “devanados de campo” se utilizan indistintamente. De manera similar, los términos “devanados del estator” y “devanados del inducido” se utilizan indistintamente. El rotor de un generador síncrono es en esencia un electroimán grande. Los polos magnéticos en el rotor pueden ser tanto salientes como no salientes. El término salientes significa “proyectado” hacia “afuera” o “prominente” y un polo saliente es un polo magnético proyectado hacia afuera de la superficie del rotor. Por otro lado, un polo no saliente es un polo magnético construido al mismo nivel de la superficie del rotor.

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En la figura 5-1 se muestra un rotor de polos no salientes y en la figura 52 se puede ver un rotor de polos salientes. Por lo regular, los rotores de polos no salientes se utilizan para rotores de dos o cuatro polos, mientras que los rotores de polos salientes normalmente se usan para rotores con cuatro o más polos. Debido a que el rotor está sujeto a campos magnéticos variables, éste se construye con láminas delgadas para reducir las pérdidas por corrientes parásitas. Se debe suministrar una corriente de cd al circuito de campo del rotor. Puesto que el rotor está girando, se requiere de un arreglo especial para que la potencia de cd llegue a los devanados de campo. Existen dos formas comunes de suministrar esta potencia de cd: a) Suministrar al rotor la potencia de cd desde una fuente externa cd por medio de anillos rozantes y escobillas. b) Suministrar la potencia de cd desde una fuente de potencia cd especial montada directamente en el eje del generador síncrono. Los anillos rozantes son anillos de metal que circulan por completo el eje de una máquina, pero se encuentran aislados de él. Un extremo del devanado del rotor cd está unido a cada uno de los dos anillos rozantes en el eje de la máquina síncrona y una escobilla estacionaria se desliza sobre cada anillo rozante. Una “escobilla” es un bloque de un compuesto de carbón parecido al grafito que conduce electricidad libremente pero tiene una fricción muy baja, por lo que no desgasta al anillo rozante. Si el extremo positivo de una fuente de voltaje cd se conecta a una escobilla y el extremo negativo se conecta a la otra, entonces se aplicará el mismo voltaje cd al devanado de campo en todo momento, sin importar la posición angular o velocidad del rotor. En los generadores y motores más grandes se utilizan excitadores o excitatrices sin escobillas para suministrar a la máquina corriente de campo cd. Un excitador sin escobilla es un generador de ca pequeño con un circuito de campo montado en el estator y un circuito de armadura montado en el eje del rotor. La salida trifásica del generador excitador se

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 rectifica a corriente directa por medio de un circuito rectificador trifásico (que también está montado en el eje del generador) y luego se alimenta al circuito del campo cd principal. Por medio del control de la pequeña corriente de campo cd del generador excitador (localizado en el estator) es posible ajustar la corriente de campo en la máquina principal sin anillos rozantes ni escobillas. Este arreglo se muestra esquemáticamente en la figura 5-3 mientras que en la figura 5-4 se observa el rotor de una máquina síncrona con un excitador sin escobilla montado en el mismo eje. Debido a que no se presenta ningún contacto mecánico entre el rotor y el estator, los excitadores sin escobillas requieren mucho menos mantenimiento que los anillos rozantes y las escobillas.

Para que la excitación de un generador sea completamente independiente de cualquier fuente de potencia externa, a menudo se incluye un pequeño excitador piloto en el sistema. Un excitador piloto es un pequeño generador de ca con imanes permanentes montados en el eje del rotor y un devanado trifásico en el estator. Produce la potencia para el circuito de campo del excitador, que a su vez controla el circuito de campo de la máquina principal. Si se incluye un excitador piloto en el eje del generador, entonces no se requiere de potencia eléctrica externa para accionar el generador (véase figura 5-5). Muchos de los generadores síncronos que incluyen excitadores sin escobillas también tienen anillos rozantes y escobillas, por lo que hay una fuente auxiliar de corriente de campo cd en caso de emergencia.

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 Normalmente los estatores de los generadores síncronos están hechos de bobina de estator preformas en un devanado de doble capa. El devanado se distribuye y encuerda de manera que se reduzca el contenido de armónicas en las corrientes y voltaje de salida, tal como se describe en el apéndice B. En la figura 5-6 puede observarse un diagrama en corte de una gran máquina síncrona completa. Este dibujo muestra un rotor de 8 polos salientes, un estator con devanados de doble capa distribuidos y un excitador sin escobillas.

3.- VELOCIDAD DE ROTACION DE UN GENERADOR SINCRONO. Los generadores síncronos son por definición síncronos, lo que quiere decir que la frecuencia eléctrica se produce y entrelaza o sincroniza con la tasa mecánica de rotación del generador. El rotor de un generador síncrono consta de un electroimán al que se le suministra corriente directa. El campo magnético del rotor apunta en la dirección en que gira el rotor. Ahora, la tasa de rotación de los campos magnéticos en la máquina está relacionada con la frecuencia eléctrica del estator por medio de la ecuación (4-34):

Donde: =frecuencia eléctrica en Hz. =velocidad mecánica del campo magnético en r/min (igual a velocidad del rotor de una máquina síncrona). =número de polos. Debido a que el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético, esta ecuación relaciona la velocidad de rotación del rotor con la

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 frecuencia eléctrica resultante. La potencia eléctrica se genera a 50 o 60 Hz, por lo que generador debe girar a una velocidad fija dependiendo del número de polos en la máquina. Por ejemplo, para generar una potencia de 60 Hz en una máquina de dos polos, el rotor debe girar a 3600 r/min. Para generar una potencia de 50 Hz en una máquina cuatro polos, el rotor debe girar a 1500 r/min. La tasa de rotación requerida para cierta frecuencia siempre se puede calcular a partir de la ecuación (4-34).

4.- VOLTAJE GENERADO INTERNAMENTE EN UN GENERADOR SÍNCRONO. Un generador sincrónico funciona en base a la Ley de Faraday , que implica varios factores y parámetros constructivos de la máquina. La amplitud de voltaje inducido en una fase del estator es:

Donde: N p es el número total de espiras por fase. K p es el factor de paso. K d es el factor de distribución. Φ flujo magnético total por polo. f frecuencia en Hertz. El voltaje generado depende del flujo de la máquina, de su frecuencia o velocidadde rotación y de su construcción. Esta ecuación tiene una forma más sencilla, quehace énfasis en las cantidades que se dispone durante su funcionamiento.

Donde:

k constante que representa la construcción de la máquina. ω es la velocidad de rotación. φ flujo magnético.

El voltaje interno inducido EA es directamente proporcional al flujo φ y a la velocidad, pero el flujo en si depende de la corriente de excitación Ie que fluye en el circuito de campo del rotor. Puesto que EA es directamente proporcional al flujo, el voltaje generado internamente se relaciona con la corriente de campo Ie , tal como se

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 muestra en la figura 1-6 que representa la curva característica de funcionamiento del generador en vacío. Incluso para una corriente de excitación Ie =0 se inducirá una tensión debida al magnetismo remanente en el hierro.

Cuando empiece a aumentar la intensidad de excitación Ie , la tensión en circuito abierto EA crecerá rápidamente, y cuando aquélla ya sea grande, los incrementos de la tensión serán mucho menores; esto debido a la permeabilidad magnética µ del hierro. Por ello, la tensión en circuito abierto crecerá linealmente al aumentarla intensidad de excitación, mientras la permeabilidad µ permanezca constante. Cuando ésta disminuya, la tensión en circuito abierto aumentará relativamente poco, aunque siga aumentando la intensidad de la corriente de excitación. Sabemos que la magnitud del voltaje inducido en cierta fase de un estator era: Este voltaje depende del flujo en la máquina, de la frecuencia o velocidad de rotación y de la construcción de la máquina. Para resolver problemas de máquinas síncronas, a menudo esta ecuación se escribe de una forma más simple que enfatiza las cantidades que varían durante la operación de la máquina. Esta forma más simple es: Donde es una constante que representa la construcción de la máquina. Si se expresa en radianes eléctricos por segundo, entonces:

Mientras que si entonces:

se expresará en radianes mecánicos por segundo,

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5.- CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN GENERADOR SÍNCRONO. El voltaje EA es el voltaje generado internamente y se produce en una fase del generador. Sin embargo, este voltaje EA no es, generalmente, el voltaje que aparece en los terminales del generador. De hecho, la única vez que el voltaje interno EA es el mismo voltaje de salida en una fase Vφ , es cuando no hay corriente del inducido que le llegue a la máquina, es decir cuando no existe carga conectada a los terminales del generador. Hay varios factores que causan la diferencia entre EA y Vφ .  La distorsión del campo magnético del entrehierro debida a la corriente que fluye en el estator, llamada reacción del inducido.  La auto inductancia de las bobinas del inducido (o armadura).  La resistencia de las bobinas del inducido.  El efecto de la forma del rotor de polos salientes. Para el análisis de estos efectos se considera el rotor cilíndrico, si la máquina es de rotor con polos salientes produce un pequeño error que a la final resulta insignificante.

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El efecto de reacción de inducido, es normalmente el más grande. En la figura 1-7 se puede entender mejor la reacción de inducido, en ésta se ilustra un rotor de dos polos que gira dentro de un estator trifásico, al que no se le ha conectado ninguna carga. El campo magnético del rotor BR produce un voltaje generado internamente EA en los embobinados del estator del generador, cuyo valor máximo coincide con la dirección de BR ; con el generador en vacío, no hay flujo de corriente por el inducido y EA será igual al voltaje de fase Vφ como se observa en la figura 1-7a. Ahora, supóngase que se conecta una carga al generador, debido a los devanados del estator, ésta es inductiva; entonces la corriente máxima estará un ángulo detrás del voltaje máximo. Este efecto se visualiza en la figura 1-7b.La corriente que circula por el embobinado del estator produce un campo magnético propio. Este campo magnético del estator se denomina BS y su dirección se determina por la regla de la mano derecha. El campo magnético del estator BS produce un voltaje propio en el estator y a este voltaje se le llama Estat , la figura 1-7c indica la dirección

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 de BS .Con dos voltajes presentes en el embobinado del estator, el voltaje total en una fase Vφ será las suma fasorial del voltaje generado internamente EA y el voltaje de reacción del inducido Estat.

El campo magnético Bneto , es la suma fasorial de los campos magnéticos del rotory el estator.

Como los ángulos de EA y BR son los mismos y los ángulos Estat y BS también, el campo magnético resultante Bneto coincidirá con el voltaje neto Vφ . Los voltajes y corrientes resultantes se muestran en la figura 17d La reacción del inducido puede interpretarse entonces como una caída de tensión debida a la circulación de corriente por el inducido, esta caída de tensión esta 90ºdetrás del eje de corriente y es directamente proporcional a la corriente IA siendo X la constante de proporcionalidad; el voltaje de reacción del inducido puede expresarse como:

Además de los efectos de reacción del inducido, las bobinas del estator tienen una auto inductancia LA(su correspondiente reactancia XA) y una resistencia RA. El voltaje en una fase es entonces.

Los efectos de la reacción del inducido y la auto inductancia de la máquina se representan por reactancias y se acostumbra a combinarlas en una sola reactancia, conocida como reactancia sincrónica XS de la máquina.

Por lo tanto la ecuación final que describe es:

El circuito equivalente del generador se muestra en la figura 1-8, la cual ilustra una fuente de potencia de corriente continua VF durante la alimentación del circuito de campo del rotor, representada por la inductancia de la bobina y su resistencia en serie. Hay una resistencia graduable Raj , en serie con RF , que controla el flujo de corriente de campo. El resto del circuito equivalente consiste en las representaciones de cada fase, en cada una hay un voltaje generado internamente con una

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 reactancia sincrónica y una resistencia en serie RA. Los voltajes y corrientes de las tres fases están desfasados 120º.

Estas tres fases pueden conectarse en estrella (Y) ó en triángulo (∆ ), como se indica en la figura 1-9.

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Si se conecta en Y , la tensión en bornes VL que es el voltaje entre fase y fase, se relaciona con el voltaje de fase Vφ que es el voltaje entre una fase y neutro, por la expresión:

Donde:

VL es el voltaje entre dos fases. Vφ es el voltaje entre una fase y neutro. Si se conecta en ∆, entonces: Las fases del generador sincrónico son idénticas en todos sus valores, menos en el ángulo de fase cuando están conectadas en Y; para obtener su equivalente en la conexión ∆, se obtiene su equivalente por medio de la aplicación de las ecuaciones (1.10) y (1.11).

6.- DIAGRAMA FASORIAL DEL GENERADOR SINCRONO. Debido a que los voltajes en un generador síncrono son voltajes de ca, normalmente se expresan como fasores. Y puesto que los fasores tienen tanto magnitud como ángulo, la relación entre ellos se debe expresar en una gráfica bidimensional. Cuando se hace una gráfica de los voltajes dentro de una fase ( , , y ) y la corriente en la fase de tal forma que se muestren las relaciones entre ellos, la gráfica resultante se llama diagrama fasorial.

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 Por ejemplo, la figura 5-13 muestra estas relaciones cuando el generador alimenta una carga con un factor de potencia unitario (una carga puramente resistiva). De la ecuación (5-11) se obtiene que el voltaje total difiere del voltaje en los terminales de la fase por las caídas de voltaje resistivo e inductivo. Todas las corrientes y voltajes están referenciados a y se asume arbitrariamente que tiene un ángulo de 0°.

Este diagrama fasorial se puede comparar con los diagramas fasoriales de los generadores que operan con factores de potencia en retraso o en adelanto. En la figura 5-14 se pueden observar estos diagramas fasoriales. Nótese que para cierto voltaje de fase y cierta corriente del inducido se necesita un voltaje interno generado más grande para las cargas en atraso que para las cargas en adelanto. Por lo tanto, se requiere una corriente de campo más grande para obtener el mismo voltaje en los terminales en las cargas en retraso debido a que: Debe ser constante para mantener una frecuencia constante. Alternativamente, para cierta corriente de campo y cierta magnitud de corriente de carga, el voltaje en las terminales es menor para cargas en retraso y mayor para cargas en adelanto. En las máquinas síncronas reales, por lo regular la reactancia síncrona es mucho más grande que la resistencia del devanado , por lo que a menudo se desprecia en el estudio cualitativo de las variaciones de voltaje. Obviamente, para obtener resultados numéricos exactos se debe considerar .

7.- POTENCIA Y MOMENTO DE TENSION EN LOS GENERADORES SINCRONOS. Un generador síncrono es una máquina síncrona que se inicia como generador. Convierte potencia mecánica EN potencia eléctrica trifásica. La

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 fuente de la potencia mecánica, el motor primario, puede ser un motor diesel, una turbina de vapor, una turbina hidráulica u otro equipo similar. Cualquiera que sea la fuente, debe tener la propiedad básica de mantener su velocidad constante sin importar la demanda de potencia. Si esto no se cumple, entonces la frecuencia resultante del sistema de potencia podría presentar fallas (variar).

No toda la potencia mecánica que entra en un generador síncrono se convierte en potencia eléctrica que sale de la máquina. La diferencia entre la potencia de entrada y la potencia de sanidad representa las pérdidas en la máquina. En la figura 5-15 se muestra el diagrama de flujo de potencia de un generador síncrono. La potencia mecánica entrada es la potencia eje en el generador mientras que la potencia mecánica convertida a potencia eléctrica internamente está dada por:

Donde es el ángulo entre e . La diferencia entre la potencia que entra en el generador y la potencia convertida en el generador representa las pérdidas mecánicas, del núcleo y misceláneas de la máquina. La potencia eléctrica de salida real de un generador síncrono se puede expresar en cantidades de línea a línea como: Y en cantidad fasoriales como: La potencia reactiva de salida se puede expresar en cantidad de línea a línea como: O en cantidad fasoriales como:

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 Si se desprecia la resistencia del inducido (debido a que , entonces se puede deducir una ecuación muy útil para obtener una aproximación de la potencia de salida del generador. Para deducir esta ecuación se debe examinar el diagrama fasorial de la figura 5-16, que muestra el diagrama fasorial simplificado de un generador en que se desprecia la resistencia del estator. Nótese que se puede expresar el segmento vertical bc como . Por lo que:

Y sustituyendo esta expresión en la ecuación (5-17) se tiene:

Debido a que se supone que las resistencias son cero en la ecuación (520), no hay pérdidas eléctricas en el generador y la ecuación es igual para y . La ecuación (5-20) muestra que la potencia producida por un generador síncrono depende del ángulo entre y . El ángulo se conoce como el ángulo de par de la máquina. Nótese también que la potencia máxima que puede suministrar un generador se presenta cuando . A un ángulo de , y:

La potencia máxima que indica esta ecuación se llama límite de estabilidad estática del generador. Normalmente los generadores nunca llegan a estar demasiado cerca de este límite. En las máquinas reales los ángulos más comunes del par a plena carga son de 15 a 20°. Ahora analícense de nuevo las ecuaciones (5-17), (5-19) y (5-20). Si se supone que es constante, entonces la potencia real de salida es directamente proporcional a las cantidades y y la potencia reactiva de salida es directamente proporcional a la cantidad . Estos datos sin útiles para dibujar el diagrama fasorial de un generador síncrono cuando las cargas varían. Sabemos por formulas que el par inducido en este generador se puede expresar como:

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La magnitud de la ecuación anterior se puede expresar de la siguiente manera. Donde es el ángulo entre el rotor y los campos magnéticos netos (también llamado ángulo de par). Debido a que produce el voltaje y produce el voltaje , el ángulo entre y es el mismo que el ángulo entre y . De la ecuación (5-20) se puede derivar una expresión alternativa para el par inducido en un generador síncrono. Debido a que , el par inducido se puede expresar como:

Esta expresión describe el par inducido en términos de cantidades eléctricas, mientras que la ecuación proporciona la misma información en términos de cantidades magnéticas.

8.- MEDICIONES DE LOS PARÁMETROS DEL MODELO DEL GENERADOR SÍNCRONO El circuito equivalente deducido para un generador sincrónico, contiene tres cantidades que deben determinarse con el objeto de describir completamente el comportamiento de un generador sincrónico real:1. La relación entre la corriente de campo y el flujo (y por tanto, entre la corriente de campo Ie y EA)2. La reactancia sincrónica.3. La resistencia del inducido. El primer paso es realizar el ensayo en vacío en el generador. Para este paso se debe desconectar la carga de los terminales del generador y conectar a éstos un voltímetro tal como indica en la figura 1-12, luego se regula a cero la corriente de excitación, este ensayo permite determinar el voltaje interno generado para cualquier corriente de campo dada, y se describe en la sección 1.3.2

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 El segundo paso en el proceso, es realizar el ensayo de cortocircuito. Para realizarlo se gradúa a cero la corriente de campo, y se coloca en cortocircuito los terminales del generador por medio de un amperímetro, como indica la figura 1-13a. Luego se mide la corriente de inducido IA, a medida que se aumenta la corriente de campo Ie, en la figura 1-13b se puede observar la gráfica resultante, que es la curva característica de cortocircuito, se puede observar que IA varía en forma lineal ante las variaciones de corriente de excitación.

Al poner en cortocircuito los terminales, la corriente de inducido se expresa por:

Como puede verse en la figura 1-13 a Vφ es igual a cero, por lo tanto la impedancia interna de la máquina se obtiene mediante:

Donde: XS es la reactancia sincrónica. ZS es la impedancia interna. Si se asume que XS >>R A esta ecuación se reduce a: El error al calcular XS debido a ignorar el valor de RA es insignificante, por lo tantos e acostumbra hacer el cálculo aproximado de XS empleando la ecuación (1.18) Por lo tanto, si se conoce EA por medio del ensayo en vacío, e IA con el ensayo en cortocircuito del generador, en un momento dado se puede encontrar la reactancia sincrónica XS por medio de la ecuación (1.18). Ejemplo:

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 Se realiza una prueba a un generador síncrono de 200 kVA, 480 V. 50Hz, conectado en Y con una corriente de campo nominal de 5ª y se obtiene la siguiente información: 1. es igual a 540 V con una corriente nominal . 2.

es igual a 300 A con una corriente nominal

.

3. Cuando se aplica un voltaje de 10 V de cd n dos terminales, el valor de la corriente es de 25 A. Encuentre los valores de la resistencia del inducido y la reactancia síncrona aproximada en ohms que se utilizaría en el modelo del generador en condiciones nominales. Solución El generador que se describe tiene una conexión en Y, por lo que la corriente directa en la prueba de resistencia fluye a través de los devanados. Por lo tanto, la resistencia está dada por:

El campo interno generado con la corriente de campo nominal es igual a:

La corriente de cortocircuito es igual a la corriente de línea, puesto que el generador está conectado en Y:

Por lo tanto, la reactancia síncrona dada la corriente de campo nominal se puede obtener por medio de la ecuación (5-25):

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¿Qué efecto produce la inclusión de en el valor estimado de ? No mucho. Si se evalúa por medio de la ecuación (5-26), el resultado es:

Debido a que el error en por despreciar es mucho menor que el error debido a los efectos de saturación, normalmente los cálculos de aproximación se realizan con la ecuación (5-26).En la figura 5-20 se muestra el circuito equivalente por fase resultante.

9.- GENERADOR SINCRONO EN FUNCIONAMIENTO AISLADO. El comportamiento de un generador síncrono bajo carga varía enormemente, dependiendo del factor de potencia de la carga y de si el generador está funcionando solo o en paralelo con otros generadores síncronos que funcionan aisladamente. El estudio de generadores síncrono que funcionan en paralelo se hará en la sección 3.10.2. A lo largo de esta sección, los conceptos se ilustrarán con diagramas fasoriales simplificados, despreciando el efecto de R A. En algunos de los ejemplos numéricos, la resistencia RA sí será incluida. A menos que se exprese lo contrario, en esta sección se supondrá que la velocidad de los generadores es constante y todas las características terminales se trazarán suponiendo constante la velocidad. También el flujo del rotor del generador se supone constante, a menos que su corriente de campo se cambie explícitamente. Efecto de los cambios de carga sobre un generador síncrono que funcione aisladamente. Para entender las características de un generador síncrono que funciona aisladamente estudiaremos un generador que suministra una carga tal, como se puede ver en la Fig. 3.29.¿Qué sucede cuando se aumenta la carga en este generador? Un incremento en la carga, incrementa la corriente de carga obtenida del generador. Como la resistencia de campo no ha sido modificada, la corriente de campo es constante y por consiguiente el flujo φ es constante. Puesto que el motor primario también conserva una velocidad constante ω, la magnitud del voltaje generado internamente Egpφ=Kφn es constante. Si Egpφ es constante, entonces, ¿qué varía al modificarse la carga? La manera de averiguarlo es elaborando un diagrama fasorial que muestre un aumento en la carga teniendo en cuanta las limitaciones del generador. Primero, examinaremos el generador que funciona con un factor atrasado de potencia: Si se aumenta la carga con el mismo factor de potencia, entonces |I A| se

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 incrementa, pero permanece en el mismo ángulo θ con relación a Vtp, como estaba anteriormente. Entonces, la tensión de reacción del inducido jXsIA es mayor que antes, pero con el mismo ángulo. Ahora, puesto que: JXsIA se debe localizar entre Utp en un ángulo de Oº y Egp, el cual está limitado a tener la misma magnitud, que antes del aumento de carga. Si se elabora una gráfica de estas limitaciones en un diagrama fasorial, hay solamente un punto en el cual la reacción del inducido puede ser paralela a suposición original cuando aumenta de tamaño. La gráfica resultante se muestra en la Fig. 3.29.Si se observan detenidamente las limitaciones, entonces se podrá ver que mientras aumenta la carga, el voltaje Vtp disminuye drásticamente.

Ahora, si se supone que el generador está cargado con cargas de factor de potencia unitario, ¿qué sucede si se añaden nuevas cargas con el mismo factor de potencia? Con las mismas limitaciones de antes, se puede ver que en esta oportunidad Vtp sólo disminuye ligeramente. (Véase figura 3.30- b)Finalmente, supongamos al generador con carga de factor de potencia en adelanto: si se agregan nuevas cargas con el mismo factor de potencia en esta ocasión la tensión de la reacción del inducido permanece por fuera de su valor previo y Vtp sube. (Véase figura 3.30 c). En este último caso, un aumento en la carga del generador produjo un aumento en la tensión de los bornes, tal resultado no es algo que pueda esperarse, si sólo nos basamos en la intuición. Las consideraciones generales de este estudio sobre el comportamiento de los generadores sincrónicos son:

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 Si se agregan cargas en atraso (+ Q o cargas inductivas de potencia reactiva) a un generador, Vtφ y la tensión en los bornes Vt disminuye significativamente.  Si se agregan cargas con factor de potencia unitario (no potencia reactiva) a un generador, hay una ligera disminución en Vtφ y en la tensión de los terminales. 



Si se agregan cargas en adelanto (-Q o cargas de potencia reactiva capacitiva) a un generador Vtp y la tensión en los terminales se

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 elevará. Una forma apropiada de comparar el comportamiento de la tensión de dos generadores es por medio de su regulación de voltaje. Un generador síncrono que funciona con un factor de potencia en atraso tiene una regulación de voltaje positiva, bastante elevada; trabajando con un factor de potencia unitaria, tiene una baja regulación de voltaje positiva y funcionando con un factor de potencia en adelanto, con frecuencia tiene una regulación de voltaje negativa. Normalmente, es preferible mantener constante la tensión que se suministra a una carga aunque la carga en sí se modifique. ¿Cómo y para qué se pueden corregir las variaciones de tensión en los bornes? La manera más obvia sería variar la magnitud de Efp, para compensar los cambios en la carga. Recuérdese que Egp debe controlarse variando el flujo de la máquina. Por ejemplo, supongamos que a un generador se le aumenta una carga en atraso; entonces el voltaje en los terminales caerá, tal como se mostró anteriormente. Para restablecerlo a su nivel previo, s disminuye la resistencia de campo RF. Si RF se disminuye, la corriente de campo aumentará y un incremento en IF, crecerá el flujo, que a su vez elevará Egp, lo cual, finalmente, aumentará el voltaje fase y el voltaje en terminales. Esta idea se puede resumir en la siguiente forma: Al disminuir la resistencia de campo, aumenta la corriente de campo del generador.  Un aumento en la corriente de campo del generador, aumenta su flujo.  Un aumento en el flujo, aumenta la tensión interna Egp=K φn.  Un aumento en Egp, aumenta Vtp y la tensión en los bornes del generador. 

El proceso puede invertirse para disminuir la tensión terminal. Es factible regular la tensión terminal de un generador sometido a cargas variables graduando sencillamente la corriente de campo.  Problemas de ejemplo: Los dos problemas siguientes ilustran cálculos sencillos con voltajes, corrientes y flujos de corriente en generadores sincrónicos. El primer problema es un ejemplo que incluye la resistencia del inducido en sus cálculos, en tanto que en el segundo se desprecia RA. Una parte del primer problema de ejemplo se consagra al interrogante: ¿Cómo debe graduarse la corriente de campo de un generador, para mantener Vt constante, durante la variación de la carga? En cambio, una parte del segundo problema ejemplo hace la siguiente pregunta: SI la carga varía y el campo se deja invariable, ¿qué pasaría con

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 la tensión terminal? Deberá calcularse el comportamiento de los generadores y compararlos para verificar si coincide con los argumentos cualitativos de esta sección. Ejemplo 2 Un generador síncrono de cuatro polos con conexión en ∆ ,de 480 - V 60 Hz, tiene la característica de vacío (Fig. 3.31- a). Este generador tiene una reactancia sincrónica.

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 Bajo condiciones de plena carga, las pérdidas por fricción y por roce con el aire son de 40 kW y las pérdidas en el núcleo son de 30 kW. Despreciar las pérdidas del circuito de campo. ¿Cuál es la velocidad de rotación de este generador?¿Cuánta corriente de campo debe suministrarse al generador para lograr la tensión de los bornes de 480 V en vacío? Si el generador se conecta a una carga y esta demanda 1200.A con factor de potencia de 0,8 en atraso, ¿cuánta corriente de campo se requerirá para mantener la tensión en los terminales en 480 V? ¿Cuánta potencia está suministrando ahora el generador?¿Cuánta potencia le entrega el motor primario al generador?¿Cuál es la eficiencia global de la máquina? Si la carga del generador se desconecta súbitamente de la línea, ¿qué pasaría con la tensión de los terminales? Por último, suponga que el generador se conecta a una carga que demanda 1 200. A con un factor de potencia de0,8 en adelanto. ¿Cuánta corriente de campo se requerirá para mantener VT a 480V?  Solución Este generador síncrono está conectado en ∆ , así que su voltaje de fase es igual a su voltaje de línea Vtp= VT en tanto que su corriente de fase se relaciona con su corriente de línea por la ecuación La relación entre la frecuencia eléctrica producida por un generador síncrono y la velocidad de rotación del eje se expresa por medio de la ecuación: Por tanto:

En esta máquina VT= Vtp. Puesto que el generador está en vacío, IA= 0 y Egp= Vtp por consiguiente, VT= Vtp= Egp=480 V y de la característica de circuito abierto IF= 4.5 A.  Si el generador entrega 1 200 A, entonces la corriente de inducido en la máquina es: 

En la fig. 3.31-b se ve el diagrama fasorial de este generador .Si se ajusta la tensión terminal para que sea de480 V, la magnitud de voltaje generado internamente Egp se da por:

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Para mantener el voltaje en los terminales a 480 V, Egp se debe ajustar en 532 V. En la figura 3.31 se puede observar que la corriente de campo requerida es de 5.7 A.  La potencia que el generador está suministrando ahora se puede hallar por medio de la ecuación:

Para conocer la potencia de entrada al generador, se usa el diagrama del flujo de potencia.

En este generador las perdidas eléctricas son:

Las pérdidas del núcleo son 30 kW y las de fricción y fricción y roce con el aire 40 kW, de donde la entrada total de potencia al generador es:

Por tanto la eficiencia global de maquina es:

Si la carga del generador se desconectara súbitamente de la línea, la corriente IA caería hasta cero, haciendo Egp = Vtp como la corriente de campo no se ha modificado, |E A| tampoco ha cambiado y Vtp y VT debe elevarse hasta igualar Egp. Entonces, si la carga se suspendiera abruptamente, la tensión de los bornes del generador se elevaría hasta 532 V.  Si el generador se carga con 1200 A con un factor de potencia de 0,8 en adelanto, teniendo la tensión de los bornes en 480 V, entonces la tensión generada internamente tendría que ser: 

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Por lo tanto, la tensión interna generada Egp debe graduarse para entregar 451 V si VT tiene que mantenerse en 480 V. Empleando la característica de circuito abierto, la corriente de campo se tendría que graduar para 4.1 A. ¿Qué clase de carga (en adelanto o en atraso) necesita una corriente de campo mayor para mantener el voltaje nominal?¿Qué clase de carga (en adelanto o en atraso) imprime mayor esfuerzo térmico sobre el generador? ¿Por qué?

10.- FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE LOS GENERADORES SÍNCRONOS. En el mundo actual es muy raro encontrar que un generador síncrono suministre independientemente su propia carga. Esta situación sólo se encuentra en algunas aplicaciones que se salen de lo normal, tales como los generadores de emergencia. En todas las demás aplicaciones de generadores hay más de un generador que opera en paralelo para suministrar la potencia que requieren las cargas. La situación en la red de potencia de estados unidos es un ejemplo extremo de esta situación, en la que literalmente miles de generadores comparten la carga en el sistema.

¿Por qué se utilizan los generadores síncronos en paralelo? Hay muchas ventajas para ello: a) Varios generadores pueden alimentar una carga más grande que una sola máquina. b) Tener varios generadores incrementa la confiabilidad del sistema de potencia, debido a que la falla de cualquiera de ellos no causa la pérdida total de potencia en la carga.

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 c) Tener varios generadores que operan en paralelo permite la remoción de uno o más de ellos para cortes de potencia y mantenimientos preventivos. d) Si se utiliza un solo generador y este no opera acerca de plena carga, entonces será relativamente ineficiente. Con varias máquinas más pequeñas trabajando en paralelo, el posible operar sólo una fracción de ellas. Las que están operando lo hacen casi a plena carga y por lo tanto de manera más eficiente.

Esta sección estudia los requerimientos para tener generadores de ca en paralelo y luego estudia el comportamiento de los generadores síncronos que operan en paralelo. LAS CONDICIONES PARALELO

REQUERIDAS

PARA

OPERAR

EN

La figura 5-26 muestra un generador síncrono Que suministra potencia a una carga con otro generador a punto de cuentas en paralelo con por medio del cierre del interruptor . ¿Qué condiciones se deben cumplir antes de poder cerrar el interruptor y de conectar los dos generadores? Si el interruptor se cierra de manera arbitraria en cualquier momento, es posible que los generadores se dañen severamente y que la carga pierda potencia. Si los voltajes no son exactamente iguales en cada una los generadores que se conectarán juntos, habrá un flujo de corriente muy grande cuando se cierre el interruptor. Para evitar este problema, cada una de las tres fases debe tener exactamente la misma magnitud de voltaje y ángulo de fase que el conductor al que se conectará. En otras palabras, el voltaje en la fase a debe ser exactamente igual al voltaje en la fase a’ y así en forma sucesiva para las fases b-b’ y c-c’. Para lograr lo anterior, se deben cumplir las siguientes condiciones de puesta en paralelo: a) Deben ser iguales los voltajes de línea rms de los dos generadores.

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 b) Loso dos generadores deben tener la misma secuencia de fase. c) Los ángulos de fase de las dos fases a deben ser iguales. d) La frecuencia del generador nuevo, llamado generador en aproximación, debe ser un poco mayor que la frecuencia de sistema operación. En las condiciones de puesta en paralelo requieren ciertas explicaciones. La condición 1 es obvia: para que dos grupos de voltaje sean idénticos, deben tener la misma magnitud del voltaje rms.

Los voltajes en la fase a-a’ Será completamente idénticos en todo momento si ambas magnitudes y sus ángulos son iguales, lo que explica la condición 3.

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 La condición 2 asegura que la secuencia en la que el voltaje de fase y su pico en los dos generadores sea la misma. Si la secuencia de fase es diferente (como se observa en la figura 5-27a), entonces aún cuando un par de voltajes (los de fase a) estén en fase, los otros dos pares de voltaje estarán desfasados por 120°. Si se conectan los generadores de esta manera, no habrá problemas con la fase a, pero fluirán enormes corrientes en la fase b y c, lo que dañará ambas máquinas. Para corregir el problema de secuencia de fase, simplemente se intercambian las conexiones en dos de las tres fases en una de las máquinas. Si la frecuencia de los generadores no son muy parecidas cuando se conectan juntos, se presentarán grandes potencias transitorias hasta que se estabilicen los generadores en una frecuencia común. La frecuencia de las dos máquinas deben ser casi iguales, pero no puede ser exactamente iguales. Deben diferir por una pequeña cantidad para que los ángulos de fase de la máquina en aproximación cambien en forma lenta con respecto a los ángulos de fase de sistema en operación. De esta manera se puede observar los ángulos entre los voltajes y se puede cerrar el interruptor cuando los sistemas estén exactamente en fase.

PROCEDIMIENTO GENERAL PARA CONECTAR GENERADORES EN PARALELO Supóngase que se va a conectar el generador Al sistema en operación que se muestra en la figura 5-27. Se deben seguir los siguientes pasos para conectarlos en paralelo. Primero, utilizar voltímetro se debe ajustar la corriente de campo del generador en aproximación hasta que su voltaje en los terminales sea igual al voltaje en línea del sistema en operación. Segundo, la secuencia de fase del generador en aproximación se debe comparar con la secuencia de fase del sistema operación. La secuencia de fase se puede revisar de muchas maneras diferentes. Una de ellas es conectar alternativamente un pequeño motor de inducción a los terminales de cada uno de los dos generadores. Si el motor gira en la misma dirección en ambas ocasiones, entonces la secuencia de fase es la misma en ambos generadores. Si el motor gira en direcciones opuestas, entonces la secuencia de fase son diferentes y se debe invertir dos de los conductores del generador en aproximación. Otra manera de revisar la secuencia de fase es el método de las tres lámparas. En este método, se conectan tres lámparas a través de los terminales abiertos del interruptor que conecta el generador al sistema, como se muestra en la figura 5-27b. Conforme la fase cambia entre los dos sistemas, las lámparas lucirán primero brillantes (una gran diferencia de fase) y luego tendrán una luz tenue (una diferencia de fase pequeña). Si las tres lámparas lucen brillantes y se apagan al mismo tiempo, entonces lo sistema tiene la misma secuencia de fase. Si las lámpara los

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 brillantes sucesivamente, entonces los sistema tienen secuencias de fases opuesta y se debe invertir una de las secuencias. A continuación, la frecuencia del generador en aproximación se ajusta para que sea un poco más alta que la frecuencia de sistema en operación. Esto se lleva a cabo primero observando un medidor de frecuencia hasta que las frecuencias sean similares y entonces observan los cambios de fase entre los sistemas. Se ajusta el generador en aproximación a una frecuencia un poco más alta para que cuando se conecten se incorpore a la línea suministrando potencia como generador, en lugar de consumirla como lo hace un motor (este punto se explicará luego). Una vez que las frecuencias son casi iguales, los voltajes en los dos sistemas cambian de fase muy lentamente con respecto al otro. Se observan los cambios de fase y cuando los ángulos de fase son iguales, se apaga el interruptor que conecta a los dos sistemas. ¿Cómo se puede saber cuando los dos sistemas están por fin en fase? Una manera sencilla es observar las tres lámparas que se describieron anteriormente en relación con la discusión de la secuencia de fase. Cuando se apagan las tres lámparas, la diferencia de voltajes a través de ellas es cero y los sistemas están en fase. Éste es decir el tema funciona, pero no es muy exacto. Un método mejor es la utilización de un sincronoscopio. Un sincronoscopio en su medidor que mide la diferencia en los ángulos de fase entre la fase es a de los dos sistemas. En la figura 5-28 se puede ver el esquema de la parte frontal de un sincronoscopio. El cuadrante muestra la diferencia de fase entre las dos fases a; el 0 (que significa en fase) se ubica en la parte superior y el 180° en la parte inferior. Ya que la frecuencia de los dos sistemas son poco diferentes, el ángulo de fase en el medidor cambiará lentamente. Si el generador sistema en aproximación es más rápido que el sistema en operación (situación deseada), entonces el ángulo de fase avanza y la aguja del sincronoscopio gira en el sentido de las manecillas del reloj. Si la máquina de aproximación es más lenta, la aguja gira en sentido contrario a las manecillas del reloj. Cuando la aguja del sincronoscopio está en una posición vertical, los voltajes están en fase y se puede cerrar el interruptor para conectar el sistema. Sin embargo, nótese que un sincronoscopio verifica las relaciones en sólo una fase. No brinda información sobre la secuencia de fases.

En los generadores más grandes que pertenecen a sistema de potencia, todo el proceso de conectar un generador nuevo en paralelo está automatizado y la computadora lleva a cabo esta tarea. Sin embargo, en

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 generadores más pequeñas el operador ejecuta manualmente los pasos antes descritos de conexión en paralelo. OPERACIÓN DE GENERADORES EN PARALELO CON GRANDES SISTEMAS DE POTENCIA Cuando un generador síncrono se conecta un sistema de potencia, a menudo el sistema de potencia es tan grande que ninguna de la sección del operador del generador tendrá gran efecto en el sistema de potencia. Un ejemplo de esta situación en la conexión de un solo generador en la red de potencia de estados unidos es tan grande que ninguna acción razonable por parte del operador podrá causar un cambio observable en la frecuencia total de la red. Este fenómeno se idealizada el concepto de bus infinito. Un bus infinito es un sistema de potencia tan grande que su voltaje y frecuencia no cambia sin importar qué tanta potencia real y reactiva se demande o se le suministre. De la figura 5-32a se muestra la característica de potenciafrecuencia de un sistema como éste y en la figura 5-32b se puede ver su característica de potencia reactiva-voltaje. Para entender comportamiento de un generador está conectado a un sistema tan grande, examínese un sistema que conste de un generador y un bus infinito en paralelo que este suministrando potencia a una carga. Supóngase que el motor primario del generador tiene un mecanismo regulador, pero el campo se controla manualmente por medio de un resistor. Es más fácil explicar la operación del generador sin considerar el regulador de corriente de campo automático si es que éste se encuentra presente. En la figura 5-33a se muestra un sistema como éste.

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Cuando se conecta un generador en paralelo con otro generador o con un sistema grande, la frecuencia y voltaje en los terminales de todas las máquinas deben ser iguales, debido a que sus conductores de salida están unidos. Por lo tanto, sus características la frecuencia-potencia real de potencia reactiva-voltaje se pueden dibujar en una gráfica espalda con espalda, con un eje vertical en común. En la figura 5-33b se aprecia este tipo de gráfica que a menudo se llama diagrama de casa. Supóngase que el generador acaba de ser conectado en paralelo con un bus infinito de acuerdo con el procedimiento descrito anteriormente. Entonces el generador estará “flotando” en la línea, suministrando una pequeña cantidad de la potencia real y muy poca o nada de la potencia reactiva. En la figura 5-34 se puede observar esta situación. Supóngase que el generador está en paralelo con la línea, pero en lugar de tener una frecuencia un poco más elevada que el sistema en operación, tiene una frecuencia un poco más baja. En este caso, cuando se completa la conexión en paralelo, la situación resultante se muestra la figura 5-35. Nótese que aquí la frecuencia en vacío del generador es menor que la frecuencia de operación del sistema. A esta frecuencia, la potencia suministrada por el generador es en realidad negativa. En otras palabras, cuando la frecuencia en vacío del generador es menor que la frecuencia de operación del sistema, el generador en realidad consume potencia eléctrica y funcionan como un motor. Para asegurar que un generador se conecta en línea – el cual debe estar suministrando potencia en lugar de consumir potencia – se ajusta la frecuencia de la máquina en aproximación a un Valor un poco mayor que la frecuencia de sistema en operación. Muchos generadores reales tienen disparadores de potencia inversa conectados a ellos, por lo que es imperativo que se conecten en paralelo con una frecuencia mayor queda el sistema operación. Si un generador así comienza a consumir potencia, se desconectara automáticamente de la línea.

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Una vez que ya se desconectan generador, ¿qué pasará si se incrementan los puntos de ajuste del mecanismo regulador? El efecto de este incremento es un desplazamiento hacia arriba en la frecuencia en vacío del generador. Debido a que la frecuencia de sistema no cambia (la frecuencia de un bus infinito no puede cambiar), se incrementa la potencia suministrada por el generador. Esto se muestra en el diagrama de casa de la figura 5-36a y en el diagrama fasorial de la figura 5-36b. Nótese en el diagrama fasorial que (que es proporcional a la potencia suministrar a siempre y cuando Permanezca constante) se incrementa, mientras que la magnitud de Permanece constante debido a que tanto la corriente de campo Como la velocidad de rotación no cambian. Conforme lo punto de ajuste del mecanismo regulador se incrementan aún más, la frecuencia en vacío se incremente y también la potencia suministrada por el generador. Conforme la potencia de salida se incrementa, Mantiene una magnitud constante mientras que sigue incrementándose.

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¿Qué sucede en este sistema si la potencia de salida del generador se incrementa hasta que excede la potencia que consume la carga? Si esto sucede, la potencia que extra generada fluye de regreso al bus infinito. Un bus infinito, por definición, puede suministrar o consumir cualquier cantidad de potencia sin cambiar la frecuencia, por lo que consume la potencia extra. Después de ajustar la potencia real del generador en el nivel deseado, el diagrama fasorial del generador es como el que se muestra en la figura 536b. Nótese que en este momento el generador en realidad opera con un factor de potencia levemente en adelanto de suministra potencia reactiva negativa. Alternativamente, se puede decir que el generador consume potencia reactiva. ¿Cómo se puede ajustar el generador para que suministre cierta potencia reactiva Q al sistema? Esto se puede lograr por medio del ajuste de la corriente de campo de la máquina. Para entender por qué esta declaración es cierta, es necesario considerar las restricciones en la operación del generador en estas circunstancias.

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La primera restricción en el generador es que la potencia debe permanecer constante cuando cambia . La potencia que entra en un generador está dada por la ecuación . Ahora, el motor primario de un generador síncrono tiene una característica de parvelocidad para cualquier punto de ajuste del mecanismo regulador. Esta curva sólo cambia cuando varían los puntos de ajuste del mecanismo regulador. Debido a que el generador está unido a un bus infinito, su velocidad no puede cambiar. Si la velocidad del generador no cambia y los puntos de ajuste el mecanismo regulador no se cambian, la potencia suministrada por el generador debe permanecer constante. Si la potencia suministra se mantiene constante conforme cambien la corriente de campo, entonces la distancias proporcionales a la potencia diagrama fasorial no puede cambiar. Cuando se incrementa la corriente de campo, se incremente el flujo y, por lo tanto, se incrementa . Si se incrementa , pero debe permanecer constante, entonces el fasor debe “deslizarse” sobre la línea de potencia constante, como se observa en la figura 5-37. Debido a que es constante, el ángulo Cambia como se muestra la figura, y, por lo tanto, cambian el ángulo y la magnitud de . Nótese que como resultado se incrementa la distancia proporcional a . En otras palabras, el incremento en la corriente de campo en un generador síncrono que opera en paralelo con un bus infinito causa el incremento de la potencia reactiva de salida del generador. Para resumir, cuando un generador opera en paralelo con un bus infinito: 1. El sistema al que se conecta el generador controla la frecuencia y voltaje en los terminales del generador. 2. Los puntos de ajuste del mecanismo regulador del generador controlan la potencia real suministrar al sistema por el generador. 3. La corriente de campo en el generador controla la potencia reactiva suministrada sistema por el generador. Esta situación es muy parecida a la manera en que operan los generadores reales cuando se conectan a un sistema de potencia muy grande.

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 OPERACIÓN DE GENERADORES EN PARALELO CON OTROS GENERADORES DEL MISMO TAMAÑO Cuando un generador opera sólo, la potencia real y reactiva (P y Q) suministrada por el generador son fijas, están restringidas a ser iguales a la potencia demandada por el sistema y los puntos de ajuste del mecanismo regulador y la corriente de campo varían la frecuencia y el voltaje en los terminales. Cuando un generador opera en paralelo con un bus infinito, el bus infinito restringe a la frecuencia y al voltaje en los terminales a ser constantes y los puntos de ajuste del mecanismo regulador y la corriente de campo varían la potencia real y reactiva. ¿Qué sucede cuando un generador síncrono se conecta en paralelo no con un bus infinito, sino, pero generador del mismo tamaño? ¿Cuál será el efecto de cambiar los puntos de ajuste del mecanismo regulador y la corriente de campo? En la figura 5-38a se puede ver el sistema resultante si se conecta un generador en paralelo con otro del mismo tamaño. En este sistema la restricción básica es que la suma de las potencias real y reactiva suministradas por los dos generadores deben ser iguales a la P y Q que demanda el sistema. La frecuencia de sistema no está restringida a ser constante ni tampoco la potencia de un generador lo está. En la figura 538b se muestra el diagrama de potencia-frecuencia de un sistema de este tipo inmediatamente después de que se conecta en paralelo con la línea. En este caso, la potencia total (que es igual a ) está dada por: Y la potencia reactiva total está dada por: ¿Qué sucede si se incrementan los puntos de ajuste del gobernador de ? Cuando se incrementan los puntos de ajuste del mecanismo regulador de , la curva de potencia-frecuencia de Se desplaza hacia arriba, como se muestra en la figura 5-38c. Recuérdese que la potencia total suministra a la carga no debe cambiar. A la frecuencia original , la potencia suministrada por y Será mayor que la demanda de la carga, por lo que el sistema no puede continuar operando a la misma frecuencia que antes. De hecho, sólo hay una frecuencia a la que la suma de la potencia de salida de los dos generadores es igual a . Esta frecuencia Es mayor que la frecuencia original de operación del sistema. A esa frecuencia, Suministra más potencia que antes y Suministra menos potencia que antes. Por lo tanto, cuando los generadores operan juntos, un incremento en los puntos de ajuste del mecanismo regulador de uno de ellos. 1. Incrementa la frecuencia de sistema. 2. Incrementa la potencia suministrada por ese generador, a la vez que reduce la potencia suministrada por el otro.

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 ¿Qué sucede si se incrementa la corriente de campo de ? En la figura 5-38d se muestra comportamiento resultante, que es análogo a la situación de potencia real. Cuando dos generadores operan juntos y se incrementa la corriente de campo de : 1. Se incrementa el voltaje en los terminales del sistema. 2. Se incrementa la potencia reactiva Q suministrada por ese generador, a la vez que disminuye la potencia reactiva suministrada por el otro generador

Si se conectan las pendientes y frecuencias en vacío de las curva de caída de velocidad (frecuencia-potencia) del generador, entonces se pueden determinar cuantitativamente las potencias suministradas por cada generador y la frecuencias del sistema resultante. En el ejemplo 5-6 se puede apreciar la manera de conseguir lo anteriormente expuesto. Ejemplo 5-6: La figura 5-38a muestra dos generadores que alimentan una carga. El generador 1 tiene una frecuencia en vacío de 61.5 Hz y una pendiente

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 de 1 MW/Hz. El generador 2 tiene una frecuencia en vacío de 61.0 Hz y una pendiente de 1 MW/Hz. Los dos generadores alimentan a una carga real de 2.5 MW en total con un factor de potencia de 0.8 en retraso. En la figura 5-39 se observa el sistema de potencia-frecuencia resultante o diagrama de casa. a) ¿A qué frecuencia opera este sistema y cuánta potencia suministra cada uno de los dos generadores? b)

Supóngase que se añade una carga adicional de 1 MW al sistema de potencia. ‘Cuál será la nueva frecuencia del sistema y cuánta potencia suministrarán ahora y ?

c)

Si el sistema mantiene la configuración describa en el inciso b, ¿cuál será la frecuencia del sistema y las potencias de los generadores si se incrementan en 0.5 Hz los puntos de ajuste del mecanismo regulador ?

Solución: La potencia que produce un generador síncrono con una pendiente dada y una frecuencia en vacío está dada por la ecuación (5-28):

Ya que la potencia total suministrada por los generadores debe ser igual a la potencia consumida por las cargas: Estas ecuaciones se pueden utilizar para contestar todas las preguntas planteadas. a) En el primer caso, ambos generadores tienen una pendiente de 1 MW/Hz, y tiene una frecuencia en vacío de 61.5 Hz, mientras que tiene una frecuencia en vacío de 61.0 Hz. La carga total es de 2.5 MW. Por lo tanto, la frecuencia del sistema se puede encontrar de la manera siguiente:

Las potencias generadores son:

resultantes

que

suministran

los

dos

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b) Cuando se incrementa la carga en 1 MW, la carga total es 3.5 MW. La nueva frecuencia del sistema está dada por:

Las potencias resultantes son:

c)

Si se incrementa en 0.5 Hz los puntos de ajuste del mecanismo regulador en vacío de , la nueva frecuencia del sistema es:

Las potencias resultantes son:

Nótese que la frecuencia del sistema aumentó, la potencia suministrada por aumentó y la potencia suministrada por cayó. Cuando dos generadores de tamaño similar operan en paralelo, el cambio en pos puntos de ajuste del mecanismo regulador de uno de ellos cambia tanto la frecuencia del sistema como la repartición de potencia entre ellos. Sería deseable ajustar sólo una de estas cantidades a la vez. ¿Cómo

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 se puede ajustar la repartición de potencia del sistema de potencia independientemente de la frecuencia del sistema y viceversa? La respuesta es muy simple. El incremento en los puntos de ajuste del mecanismo regulador de un generador incrementa la potencia de la máquina y aumenta la frecuencia del sistema. La disminución en los puntos de ajusto del mecanismo regulador en el otro generador disminuye la potencia de la máquina y la frecuencia del sistema. Por lo tanto, para ajustar la repartición de potencia sin cambiar la frecuencia del sistema se deben incrementar los puntos de ajuste del mecanismo regulador de un generador y simultáneamente disminuir los puntos de ajuste del mecanismo regulador del otro generador (véase figura 5-40a). De manera similar, para ajustar la frecuencia del sistema sin cambiar la repartición de potencia, se deben incrementar o disminuir simultáneamente ambos puntos de ajuste del mecanismo regulador (véase figura 5-40b). Los ajustes a la potencia y voltaje en los terminales funcionan de manera análoga. Para desplazar la repartición de la potencia reactiva sin cambiar , se debe incrementar simultáneamente la corriente de campo de un generador y disminuir la corriente de campo en el otro (Véase figura 540c). Para cambiar el voltaje en los terminales sin afectar la repartición de potencia reactiva se deben incrementar o disminuir simultáneamente ambas corrientes de campo (véase figura 5-40d). En resumen, en el caso de dos generadores que operan juntos: 1. El sistema está registrado a que la potencia total suministrada por los dos generadores juntos sea igual a la cantidad consumida por la carga Ni ni están restringidos a ser constantes. 2.

Para ajustar la repartición de potencia real entre los generadores sin cambiar , se deben incrementar simultáneamente los puntos de ajuste del mecanismo regulador en un generador al mismo tiempo que se disminuyen los puntos de ajuste en el mecanismo regulador del otro generador. La máquina cuyos puntos de ajuste del mecanismo regulador se incrementa alimentará más carga.

3.

Para ajustar sin cambiar la repartición de potencia real, se deben incrementar o disminuir simultáneamente los puntos de ajuste del mecanismo regulador de los generadores.

4.

Para ajustar la repartición de potencia reactiva entre generadores sin cambiar , se debe incrementar de manera simultánea la corriente de campo de un generador a la vez que se disminuye la corriente de campo en el otro. La máquina cuya corriente de campo se incrementa alimentará más carga.

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 5.

Para ajustar sin cambiar la repartición de potencia reactiva, se deben incrementar o disminuir de manera simultánea las corrientes de campo de ambos generadores.

11.- MOTORES SINCRONOS. Los motores síncronos son máquinas síncronas que se utilizan para convertir potencia eléctrica en potencia mecánica. Estos motores se basan en la reversibilidad de los alternadores.

Su operación como motor síncrono se realiza cuando el estator es alimentado con un voltaje trifásico de CA provocando un campo magnético giratorio y consecutivamente el rotores alimentado con un voltaje de CC, produciendo otro campo magnético, el cual se alineará con el campo del estator es decir lo perseguirá a una velocidad conocida como velocidad síncrona, que es la velocidad a la que gira el flujo magnético rotante que es:

Por lo que se dice que son motores de velocidad constante y suministran potencia a cargas que son básicamente dispositivos de velocidad constante. El circuito equivalente por fase de un motor sincrónico es exactamente igual al del generador sincrónico, excepto que la dirección de referencia de IA (corriente de armadura) está invertida. Debido al cambio de dirección de IA, la ecuación correspondiente a la ley de voltajes de Kirchhoff cambia para el circuito equivalente de un motor síncrono.

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El motor síncrono recibe este nombre debido a que el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético del estator, es decir, se encuentran sincronizados. El motor síncrono es en esencia un alternador trifásico que funciona a la inversa. Los imanes del campo se montan sobre un rotor y se excitan mediante corriente continua, las bobinas de la armadura están divididas en tres partes y alimentadas con corriente alterna trifásica.

Como existen dos campos magnéticos presentes en la máquina, entonces el campo rotórico tenderá a alinearse con el campo estatórico, como dos barras magnéticas tenderán a alinearse si se colocan una cerca de la otra. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. La corriente de campo IF del motor produce un campo magnético de estado estacionario BR, un conjunto trifásico de voltajes se aplica al estator de la máquina, que produce un flujo de corriente trifásica en los devanados inducidos produciendo un campo magnético uniforme rotacional Bs.

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Entonces, hay dos campos magnéticos presentes en la máquina, y el campo rotórico tenderá a alinearse con el campo estatórico así como dos barras magnéticas tenderán a alinearse si se colocan una cerca de la otra. Puesto que el campo electromagnético del estator es rotante (CMR), el campo magnético del rotor y el rotor tratarán constantemente de emparejarse con el CMR, es decir el principio básico de operación del motor sincrónico es que el rotor "persigue" el campo magnético rotante del estator (CMR), sin emparejarse del todo con él. EFECTOS DE LA CARGA EN LOSMOTORES SÍNCRONOS. Al estar conectados los motores síncronos a sistemas de potencia mucho más grandes que los motores individuales, los sistemas de potencia aparecen como barrajes infinitos frente a los motores síncronos. Esto significa que el voltaje en los terminales y la frecuencia del sistema serán constantes, independientemente de la cantidad de potencia tomada por el motor. La velocidad de rotación del motor está asociada a la frecuencia eléctrica aplicada, de modo que la velocidad del motor será constante, independientemente de la carga. La curva característica resultante cargavelocidad sería la siguiente:

Cuando la carga aplicada en el eje de un motor sincrónico excede la carga nominal, el rotor no puede permanecer más enlazado a los campos magnéticos estatórico y neto. En cambio, el rotor comienza a disminuir la velocidad frente a ellos. Como el rotor disminuye la velocidad, el campo magnético estatórico se entrecruza con él repetidamente, y la dirección del par inducido en el rotor se invierte con cada paso. El enorme par resultante oscila primero en una forma y luego en otra causando que el motor entero vibre con fuerza. La pérdida desincronización después que se ha excedido el par máximo, se conoce como deslizamiento de polos.

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TIPOS DE ARRANQUES DE UNMOTOR SINCRONO. Existen diversas formas de arranque de los motores síncronos como por ejemplo:  Arranque del motor reduciendo la frecuencia eléctrica.- reducir la velocidad del campo magnético del estator a un valor suficientemente bajo para que el rotor pueda acelerar y se enlace con él durante la rotación del campo magnético. Esto se puede llevar acabo reduciendo la frecuencia de la potencia Eléctrica aplicada.  Como un Motor Asíncrono.- El motor síncrono necesita de un arrollamiento especial de arranque dispuesto en la rueda polar. Este arrollamiento va unido al arrancador por medio de anillos rozantes. Una vez conectada la excitación, el motor entra por si solo en sincronismo. Este procedimiento de arranque exige que el equipo de arranque disponga de un autotransformador (Aut) y una resistencia de descarga (Rd). El transformador tiene la misión de reducir la intensidad absorbida por el motor durante su arranque, lo que se consigue a base de reducir la tensión nominal, hasta un 30%. La resistencia de descarga tiene por finalidad evitar efectos perjudiciales que con su ausencia se producirían sobre bobinas polares en el momento de arranque. Esta resistencia se elimina una vez que el motor ha sido puesto en servicio.

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Arranque del motor mediante un motor primario externo.- consiste en fijarle un motor externo de arranque y llevar la máquina sincrónica hasta su velocidad plena con ese motor. Entonces la

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 máquina síncrona puede ser emparalelada con un sistema de potencia como un generador, y el motor de arranque puede desacoplarse del eje de la máquina.  Como un Motor Asíncrono, pero Sincronizado.- Su puesta en marcha se hace con el auxilio de un arrancador, igual al de los motores de anillos rozantes, disponiendo que una fase rotórica circule por el inducido de la excitatriz. Cuando el motor alcanza una velocidad próxima a la de sincronismo, se excita la excitatriz, con lo que el motor termina por entrar en sincronismo.

Arranque de un motor utilizando devanado amortiguador (rotor ranurado).- la técnica más popular para el arranque de motores sincrónicos es utilizar devanados amortiguadores: estos devanados son barras especiales dispuestas en ranuras labradas en lacara del rotor del motor síncrono y cortocircuitados en cada extremo por un anillo de cortocircuito. Estos devanados tienen dos objetivos: a) Hacer que el motor arranque como un motor de inducción. b) Impedir la oscilación de velocidad o péndulo. 

FRENADO DE UN MOTORTRIFÁSICO SÍNCRONO. La mejor forma de parar este tipo de motores es ir variando la carga hasta que la intensidad absorbida de la red sea la menor posible, entonces podemos desconectar el motor. Otra forma de hacerlo, y la más habitual, es regulando el reóstato, con ello variamos la intensidad absorbida y podemos desconectar el motor sin ningún riesgo. Una forma por la cual se puede parar el motor síncrono es cuando alcance el par crítico, es decir cuando la carga asignada supera al par del motor entonces este se detendrá, no siendo una forma correcta de paro, ya que se producen recalentamientos. PUESTA EN FUNCIONAMIENTODE UN MOTOR SINCRONO

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 En primer lugar se procede a dar una alimentación trifásica al motor síncrono, la cual produce un campo magnético giratorio (CMR).Se procede a hacer girar el rotor hasta alcanzar la velocidad síncrona puede ser mediante un motor de lanzamiento auxiliar, después la excitatriz alimenta de CC al rotor, es decir se da una corriente de excitación, la cual se encarga de crear un campo magnético en el rotor el cual será constante. Entonces se logra que los campos producidos interactúen produciéndose el correcto funcionamiento del motor síncrono.

VENTAJAS Y DESVENTAJASDE LOS MOTORES SÍNCRONOS. Como ventajas de estos tipos de motores podemos establecer que:  Es la única máquina que oferta garantía en la estabilidad de la velocidad.  Buen rendimiento- Pueden servir como dispositivos de corrección del Factor de Potencia. El factor de potencia se controla variando la excitación del rotor y puede ser del 100% o unitaria con la excitación normal, de corriente atrasada con sub excitación y de corriente adelantada con sobreexcitación.

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Pueden ser conectados directamente a una red de alta tensión sin necesidad de transformador intermedio- Posibilidad de funcionar como generadores de potencia reactiva llamados en este caso condensadores síncronos- Los motores sincrónicos suministran potencia a cargas que son básicamente dispositivos de velocidad constante.- El voltaje en los terminales y la frecuencia del sistema serán constantes, independientemente de la cantidad de potencia tomada por el motor. Como desventajas de estos tipos de motores podemos establecer que:

MAQUINAS ELECTRICAS II -FIME 2012 No son 100% reversibles- Es preferible que se arranquen a vacío- Se debe realizar correctamente su puesta a funcionamiento como motor síncrono.  Tienen una sola velocidad, que es la de sincronismo.  No se les puede variar la carga de forma brusca ya que corren el riesgo de perder su velocidad de sincronismo. BIBLIOGREAFIA. 

 http://es.scribd.com/doc/70881518/Capitulos-I-VI  http://es.scribd.com/doc/75343878/27/GENERADOR-SINCRONO-DE-FUNCIONAMIENTOAISLADO  http://www.slideshare.net/gmo_salinas/motores-sincronos  http://es.scribd.com/doc/56763875/MOTORES-SINCRONOS