Informe de Máquinas Síncronas

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

“MÁQUINAS SINCRONAS”

CURSO

: Máquinas Eléctricas

SECCION

: “C” 

INTEGRANTES

:

FECHA DE ENTREGA :

Florencio Moyohuara, Roger  Flores Salas, Luis

13 de julio del 2007 

2007

INTRODUCCION Son máquinas eléctricas cuya velocidad de rotación n (rpm) está vinculada con la frecuencia f de la red de corriente alterna: n=

60 ×  f    p

Donde p es el número de pares de polos de la máquina. Trabaja con el principio de reciprocidad magnética.  

Como generador (Uso más frecuente) Como motor 

Motor síncrono: Se emplean en accionamientos industriales que requieren velocidades de transmisión constante. • Regula simultáneamente el fdp con el cual trabaja.  Aplicaciones: Centrales Eléctricas de bombeo •

ESTATOR ESTATOR Devanado Devanado trifásico trifásico distribuido, distribuido, alimentado alimentado con con un un sistema sistema trifásico trifásico de de tensiones tensiones

ROTOR ROTOR Devanado Devanado alimentado alimentado con corriente con corriente continua continua que que crea crea un un campo campo magnético magnético fijo fijo

PAR MOTOR Y GIRO DE LA MÁQUINA

Generador síncrono: Su uso más frecuente es para generar energía eléctrica de corriente alterna (alternadores).  Aplicaciones: Alternadores, Aeronáutica (elevadas frecuencias), Equipos de emergencia (Hospitales, Aeropuertos, etc.) El ROTOR ESTATOR El campo campo creado creado por por el el ROTOR ESTATOR rotor rotor al al girar girar induce induce fem fem Devanado Devanado Devanado trifásico trifásico Devanado alimentado alimentado en en el el estator estator dando dando con distribuido, con corriente corriente continua continua distribuido, conectado conectado lugar lugar aa la la circulación circulación de de que aa la que crea crea un un campo campo la carga carga oo red red que que corriente corriente por por la la carga. carga. desea magnético magnético fijo. fijo. Se Se hace hace desea alimentar. alimentar. girar girar por por un un medio medio externo. externo. TRANSFORMACION TRANSFORMACION •

EN EN ENERGIA ENERGIA ELECTRICA ELECTRICA

ASPECTO CONSTRUCTIVO Están constituidos por dos tipos de devanados independientes:  Devanado Inductor   Devanado Inducido Según su potencia se construyen de dos formas diferentes:

Inducido rotante: Para bajas potencias (menores a 10 kVA). El devanado inductor: Estator  (Polos salientes) El devanado inducido: Rotor 

Inducido fijo y rueda polar giratoria: Para potencias que pueden llegar a 1000 - 1500 MVA. El devanado inductor: Rotor (Polos salientes) El devanado inducido: Estator  Se fabrica en 2 versiones distintas:

Polos salientes

Polos lisos (rotor cilíndrico)

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO (ALTERNADOR) Funcionamiento en vacío:

Esquema de excitación de una máquina sincrónica

Cuando el generador trabaja en vacío, el único flujo existente es el producido por la corriente continua de excitación del rotor. No hay caída de tensión: la tensión de salida coincide con la fem E

 E  =  K  ×  f  × φ × N  FLUJO

VELOCIDAD DE GIRO

PROPORCIONAL A IEXC

Curva de vacío de un alternador 

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

 jX  jXss

IIGG

++

R Rss

A A

V V

E E

B B

E

 jXs

Carga resistiva

I

U E

RI  jXs

Carga Inductiva

U

I

RI

E

 j

I Carga capacitiva

U

RI

s

Carga resistiva El flujo producido por los polos del rotor Φp y el producido por las corrientes del inducido Φi, están desfasadas. A este últim o, se lo reemplaza por polos ficticios, llamados polos sombras, como si hubiese sido generados por éstos.

Carga inductiva pura En este caso los flujos aparecen en sentido contrario.

Carga capacitiva pura En este caso los flujos tienen igual sentido.

CIRCUITO EQUIVALENTE

(POR FASE)

DE LA MÁQUINA SÍNCRONA

Para el trazado del circuito equivalente, consideramos los parámetros constitutivos de la máquina, a saber: •

El rotor o rueda polar, posee un devanado excitado por continua, que crea el flujo principal φ

•

La Fem. inducida en el estator E0 ,por el flujo principal φ del inductor 

•

La reacción de armadura: esta es originada por los fl ujos generados por  las corrientes de inducido.

•

Los flujos de dispersion en la armadura : φd , de los cuales podemos mencionar:

a) flujos dispersos de ranura, Fig. 2 b) flujos dispersos en el entrehierro también denominado en Zig-Zag c) flujos dispersos en las cabezas de las bobinas •

La resistencia R de los bobinados del inducido.

•

Carga cualquiera Z

CAIDA DE VOLTAJE EN LA RESISTENCIA DE ARMADURA CAIDA DE VOLTAJE POR REACTANCIA DE DISPERSION EN LA ARMADURA REACCION DE ARMADURA: Es la interacción entre el flujo del inductor y del inducido, esto hace que el flujo total cambie

Ea :voltaje generado por fase de sin carga

Va: voltaje de salida con carga Ra: resistencia del devanado de armadura  jXa: reactancia de dispersión en la armadura

 jXaa

Ia

+

Raa

A

Ea

Va

B PARA COMPRENDER EL EFECTO DE LA REACCION DE LA ARMADURA SOBRE EL VOLTAJE EN LAS TERMINALES DE UN GENERADOR SINCRONO, ANALIZAREMOS AL CIRCUITO CON DIFERENTES TIPOS DE CARGA

DIAGRAMAS FASORIALES CUANDO EL GENERADOR ALIMENTA A UNA CARGA CON UN FACTOR DE  POTENCIA = 1 •

El Ea atrasado 90º con respecto al flujo por polo

•

f.d.p=1

•

Ia

Ia esta en fase con Va f.m.m

φ ar en fase con Ia

φe por polo = φp + φar  •

Φar induce una f.e.m Ear (fem de reaccion de la armadura)

•

Ear atrasada 90º con respecto del flujo φar  Ee = Ea + Ear  Ee = Va + Ia (Ra+jXa)

Del diagrama fasorial notamos que la reaccion de armadura ha reducido el flujo efectivo por polo y el voltaje en los terminales es menor que el voltaje generado

PARA FACTOR DE POTENCIA EN ATRASO

PARA FACTOR DE POTENCIA EN ADELANTO

•

Del diagrama fasorial notamos que la reaccion de armadura ha aumentado el flujo efectivo por polo y el voltaje en los terminales es mayor que el voltaje generado

•

Como la fem de reacción de armadura Ear esta en atraso 90º respecto de la Ia,tambien puede expresarse como sigue: Ear = - j (Ia) (Xm)

•

Xm es una constante de proporcionalidad conocida como reactancia de magnetización Tanto como la Xm y la Xa están presentes al mismo tiempo,se utilizan unidos: Xs = Xm +Xd (reactancia sincrona) Xs >> Ra  Ahora se puede trabajar con la impedancia sincrona por fase: Zs = Ra +jXs

•

•

•

Ia +

 jXs a

Ea

Ra a

A Va

B

REGULACION DEL VOLTAJE Le regulacon del voltaje de un generador sincrono se define como la razón de cambio en el voltaje en los terminales desde el voltaje sin carga hasta plena carga.  RV % =

 Ea − Va *100 Va

RELACIONES DE POTENCIA •

El rotor de un generador sincrono esta conectado a una maquina impulsora que puede ser un motor de cc, una turbina a gas, una turbina a vapor, un MCI, etc.

•

P inm =Ts * Ws

•

La potencia de entrada de cc al devanado del rotor es: P= Vf *If  P in =Ts * Ws + Vf * If 

•

Las perdidas de un generador sincrono son :

•

Perdidas por rotación ( mecánicas, magnéticas)

•

Perdidas en el devanado de campo

•

Perdida por carga parasita

•

Perdidas en el cobre del devanado de armadura

 P in

=

T  s *W  s

+

Vf  * I f 

2

 P c = P r  + Pst

Vf  * I f 

 P inm

=

 Pco = 3( Ia )  Ra

T  s *W  s

 P d 

 Po = 3(Va)( Ia ) cos θ 

+

 Po = 3(Va )( Ia ) cos θ 

3( Ia ) 2 Ra +  P r  + Pst

 P c = P r  + Pst

+

Vf  * If 

La eficiencia del generador: n

=

3(Va )( Ia) cos θ  3(Va)( Ia) cos θ 

+  P  d 

+

3( Ia) 2 Ra

+

Vf  * I f 

De la ecuacion anterior se obtiene una condicion para la eficiencia máxima como sigue: d (n) d ( Ia )

=

 P c = 3( Ia ) 2 Ra

0

RELACION DE POTENCIA APROXIMADA •

•

Como la resistencia del devanado de armadura suele ser muy pequeña, entoces se puede despreciar. Circuito equivalente aproximado y el diagrama fasorial (para una carga en atraso).

 _ 

 E a

=

 E a * cos δ  +  j E a * senδ 

 _ 

 I a

=

 I a * cos θ  +  j I a * senθ 

Ea e Ia son valores medios cuadráticos El voltaje de fase en los terminales es:

V a

=

E a −  j Ia *X s Ia

Ia

=

 E a senδ   X  s

−

 j

=

 E a − V a  jX  s

 E a cos δ  − V a  X  s

I a * cos θ  =

 E a senδ 

 P o

 P o = 3V a *I a* cosθ 

 X  s

=

3 *V a * E a * senδ   X s