Máquinas U3

Instituto Tecnológico de Piedras Negras.

Materia: Eléctricas.

Máquinas

Profesor: Ing. Ramos

Rogelio Galván

Unidad # 3 Máquinas Síncronas.

Alumno: Abraham Castillo González. Ingeniería Electrónica. No. Control: 14430062.

Índice 3.0 – Maquinas Síncronas. (pág. 3) 1

3.1 - Componentes de las máquinas sincrónicas. (pág. 4)

3.2 - Principio operacional de las máquinas sincrónicas como generador y como motor. (pág. 6)

3.3 - Fuerza electromotriz inducida y frecuencia. (pág. 8)

3.4 - Circuito equivalente y diagramas fasoriales. (pág. 10)

3.5 - Operación en paralelo de los generadores sincrónicos. (pág.14)

3.6 - Métodos sincrónicos.

de

arranque

de

los

motores

(pág.17)

3.7 - Análisis fasorial del motor sincrónico bajo diferentes condiciones de carga y de excitación. (pág.19)

3.8 - Potencia, par electromagnético y rendimiento. (pág.20)

3.0 – Maquinas Síncronas. Los maquinas síncronas son un tipo de motor de corriente alterna. Su velocidad de giro es constante y depende de la frecuencia de la tensión de la red eléctrica a la que esté conectada y por el número 2

de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo". Este tipo de motor contiene electromagnetos en el estator del motor que crean un campo magnético que rota en el tiempo a esta velocidad de sincronismo. En términos prácticos, las máquinas sincrónicas tienen su mayor aplicación en potencias elevadas, particularmente como generadores ya sea a bajas revoluciones en centrales hidroeléctricas, o bien a altas revoluciones en turbinas de vapor o gas. Cuando la máquina se encuentra conectada a la red, la velocidad de su eje depende directamente de la frecuencia de las variables eléctricas (voltaje y corriente) y del número de polos. Este hecho da origen a su nombre, ya que se dice que la máquina opera en sincronismo con la red. Por ejemplo, una máquina con un par de polos conectada a una red de 50 [Hz] girará a una velocidad fija de 3000 [RPM], si se tratara de una máquina de dos pares de polos la velocidad sería de 1500 [RPM] y así sucesivamente, hasta motores con 40 o más pares de polos que giran a bajísimas revoluciones. En la operación como generador desacoplado de la red, la frecuencia de las corrientes generadas depende directamente de la velocidad mecánica del eje. Esta aplicación ha sido particularmente relevante en el desarrollo de centrales de generación a partir de recursos renovables como la energía eólica. Las máquinas sincrónicas también se emplean como motores de alta potencia (mayores de 10.000 [HP]) y bajas revoluciones. Un ejemplo particular de estas aplicaciones es al interior de la industria minera como molinos semiautógenos (molinos SAG) o como descortezadores de la industria maderera. Adicionalmente a la operación como motor y generador, el control sobre la alimentación del rotor hace que la máquina sincrónica pueda operar ya sea absorbiendo o inyectando reactivos a la red en cuyo caso se conocen como reactor o condensador sincrónico respectivamente. Particularmente esta última aplicación es utilizada para mejorar el factor de potencia del sistema eléctrico el cual tiende a ser inductivo debido a las características típicas de los consumos

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3.1 - Componentes de las máquinas sincrónicas. La MST (máquinas síncronas trifásicas) respecto a sus elementos físicos puede dividirse en los aspectos siguientes: A) ASPECTO MECANICO.- Que trata en forma exclusiva de la estructura de la MST. B) ASPECTO ELECTRICO.- Que trata en forma exclusiva del funcionamiento de la MST. En el aspecto mecánico se tiene básicamente de dos componentes que son: a) ESTATOR.- Parte estacionaria e inmóvil formada por paquetes de laminaciones ferromagnéticas, entre las que existe algún barniz especial o aire como aislamiento. b) ROTOR.- Parte giratoria y móvil donde están dispuestas las piezas polares, que puede ser según su forma, dividida en: 1- Rotor de polos lisos que se utiliza en máquinas impulsadas por turbinas de gas o de vapor, siendo alta su velocidad ya en funcionamiento. 2-Rotor de polos salientes que se utiliza en máquinas impulsadas por turbinas de agua, siendo baja su velocidad ya en funcionamiento.



Estat or

4



Rotor

Entre las superficies, interna del estator y externa del rotor, existe una pequeña separación con aire que se reconoce con el nombre de entrehierro y que tiene un pequeño espesor, variando su tamaño desde algunos milímetros hasta varios centímetros según sea la MST de poca o mucha potencia. Ahora desde el aspecto eléctrico, se tienen básicamente dos componentes que son: a) INDUCIDO.- Devanado distribuido cuyos conductores están colocados en ranuras dispuestas generalmente en la periferia interna del estator. b) INDUCTOR.- Devanado concentrado dispuesto alrededor de las piezas polares del rotor con polos salientes, o bien arrollamiento concéntrico colocado en las ranuras dispuestas en la periferia externa del rotor con polos lisos. ELEMENTOS AUXILIARES En las máquinas electromecánicas rotativas como la MST, hay además otros componentes auxiliares que integran el sistema convertidor físico completo, como: A) ANILLOS ROZANTES.- Estos anillos también denominados deslizantes, son elementos que están colocados en la flecha y conectan el devanado inductor con el sistema de excitación, mediante las escobillas y portaescobillas. Son por lo general construidos de bronce o cobre, siendo dos piezas completas y robustas, puesto que deben resistir los esfuerzos debidos a la fuerza centrífuga de rotación a que están expuestos. B) ESCOBILLAS Y PORTAESCOBILLAS.- Piezas estacionarias que establecen el contacto de los anillos rozantes con el sistema de excitación, comunicando a éstos finalmente con el devanado inductor. Las portaescobillas, sujetan y presionan las escobillas sobre los anillos rozantes, permiten el enlace de la electricidad adecuado. Las escobillas 5

que se deslizan sobre los anillos colectores, siendo éstos los del movimiento rotatorio, están hechos normalmente de grafito eléctrico, que tiene alta resistencia mecánica a la compresión y baja resistencia eléctrica, además de ser casi indeformable a los cambios de temperatura. C) DEVANADO AMORTIGUADOR.- Arrollamiento dispuesto en jaula de ardilla, formado por barras conductoras de cobre, está colocado en ranuras taladradas, en las zapatas y exactamente sobre las caras polares. Este arreglo es una jaula de ardilla incompleta, ya que no hay barras en los espacios interpolares. En los motores sirve durante el proceso de arranque y en los generadores es útil durante las oscilaciones de la velocidad alrededor de la velocidad de sincronismo.

3.2 - Principio operacional de las máquinas sincrónicas como generador y como motor.  Motor Síncrono. Para entender el concepto básico de un motor síncrono véase la figura.

Muestra uno (motor) con dos polos. La corriente de campo If del motor produce un campo magnético en estado estacionario BR. Se aplica un 6

conjunto de voltajes trifásicos al estator de la máquina, lo que produce un flujo de corriente trifásica en los devanados. Un conjunto de corrientes trifásicas en el inducido de un devanado produce un campo magnético giratorio uniforme Bs. Por lo tanto, hay dos campos magnéticos presentes en la máquina y el campo del rotor tenderá a alinearse con el campo del estator, igual que dos imanes tenderán a alinearse si se colocan uno cerca del otro. Debido a que el campo magnético del estator gira, el campo magnético del rotor (y el rotor mismo) tratará constantemente de alcanzarlo. Mientras más grande sea el ángulo entre los dos campos magnéticos (hasta un ángulo máximo), mayor será el par en el rotor de la máquina. El principio básico de la operación de los motores síncronos es que el rotor “persigue” al campo magnético giratorio del estator alrededor de un círculo y nunca lo alcanza.

 Generador Síncrono.

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

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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.

3.3 - Fuerza electromotriz inducida y frecuencia.

LA F .E.M. INDUCIDA Según la ley de Faraday, la f.e.m. Inducida en una bobina concentrada en un par de ranuras de N espiras en serie es la derivada del flujo concatenado con respecto al tiempo:

El signo menos (-) indica que, al decrecer el flujo abarcado por la bobina, se induce en ella una tensión de signo tal, que tiende a producir una corriente que se opone a la disminución del flujo abarcado. El flujo concatenado λ, como se sabe, es el flujo ɸ de un campo magnético por el número N de espiras de la bobina que abraza. El flujo concatenado va a depender de la posición relativa del campo inductor con respecto a la bobina estatórica. La densidad de campo inductor B se vio que se distribuye senoidalmente en el espacio según la expresión:

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El flujo por polo en el entrehierro es la integral de la densidad de campo B(ϴ) a través del área que atraviesan las líneas de flujo, es decir, que, en una máquina de dos polos, se cumple lo siguiente:

Frente al polo considerado no siempre se va a tener flujo que abrace a las N espiras, en cuyo caso, el flujo concatenado con la bobina es máximo sino que habrá posiciones para las cuales las líneas de flujo, en lugar de abrazar a las espiras, las atravesarán; el caso más crítico es cuando ninguna espira es abrazada por las líneas de flujo, es decir, cuando el flujo las atraviesa o las corta a todas, en cuyo caso el flujo concatenado con la bobina es cero. Todo esto significa que si se toma el eje de la bobina del estator como eje de referencia, al girar el rotor (en sentido anti horario, por ejemplo) el eje magnético de la bobina inductora formará un ángulo α = ωt con el eje de referencia. Se observa, entonces, que el flujo concatenado dependerá del tiempo del siguiente modo:

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Tratándose de corrientes alternas, tiene más interés el valor eficaz de la tensión que los valores instantáneos. Según la última ecuación, el valor máximo de la f.e.m. inducida es:

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3.4 - Circuito equivalente (Generador y motor)

y

diagramas

fasoriales.

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.

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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.

Por lo tanto la ecuación final que describe es:

Se puede apreciar el circuito equivalente completo de un generador de este tipo. Esta figura muestra una fuente de potencia de cd que suministra potencia al circuito de campo del rotor, que se modela por medio de la inductancia y resistencia en serie de la bobina. Un resistor ajustable Rajus está conectado en serie con RF y este resistor controla el flujo de corriente de campo. El resto del circuito equivalente consta de los modelos de cada fase. Cada fase tiene un voltaje interno generado 12

con una inductancia en serie XS (que consta de la suma de la reactancia del inducido y la auto inductancia de la bobina) y una resistencia en serie RA. Los voltajes y corrientes de las tres fases están separados por 120°, pero en todo lo demás son idénticos.

Diagrama Fasorial

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Circuito equivalente del motor síncrono.

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3.7 - Operación sincrónicos.

en

paralelo

de

los

generadores

El motivo por el cual los generadores síncronos se conectan en paralelo es que a medida que incrementan las necesidades de carga, se requiere generar más energía eléctrica y la forma en que se puede ir incrementando la generación es conectar más generadores síncronos en paralelo. Además los generadores síncronos a excepción del 15

acoplamiento mecánico, ellos ordinariamente no pueden operar en serie, son estables solamente cuando operan en paralelo. Si uno de los generadores conectados en paralelo adelanta su propia fase respecto a otro, más carga es automáticamente manejada por este. Al mismo tiempo el otro generador, retarda su propia fase cediendo alguna de su carga. El resultado es que el generador que maneja más carga pierde velocidad, pero el que la cede la aumenta su velocidad hasta que la relación de fase propia es restablecida. Este cambio de carga entre los dos generadores en paralelo es equivalente a la transferencia de energía de uno a otro. No obstante es algunas veces convenientes considerar el cambio de carga como un intercambio de energía ya que la transferencia real de energía no se lleva a cabo, excepto cuando la carga en el sistema es cero o cuando la carga en un generador es menor que el cambio requerido en su carga para restablecer el sincronismo. Ventajas de la operación en paralelo de los generadores. 1.- Varios generadores pueden suministrar más carga que una sola máquina. 2.- Al tener muchos generadores se incrementa la confiabilidad del sistema puesto que la falla de cualquiera de ellos no causa la pérdida de la totalidad de la carga 3.- Al tener muchos generadores operando en paralelo es posible retirar uno o varios de ellos para efectuar mantenimiento preventivo. 4.- Si se utiliza una solo generador y éste no se encuentra operando carga de plena carga, será relativamente ineficiente. Sin embargo, al emplear varias pequeñas es posible operar sólo una fracción de ellas. Las que operan lo hacen cerca de la plena carga y por tanto son más eficientes Condiciones de puesta en paralelo: 1. Las Tensiones RMS de línea de los dos generadores deben ser iguales. 2. Los dos generadores deben tener la misma secuencia de fases. 3. Los ángulos de fase de las dos fases homólogas deben ser iguales. 4. La frecuencia del nuevo generador, llamado en aproximación, debe ser ligeramente mayor que la frecuencia del sistema de operación.



Métodos de sincronización: 16

Método de las tres lámparas encendidas.

Método de las tres lámparas apagadas.

Método de las lámparas giratorias (dos encendidas y una apagada).

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3.8 - Métodos de arranque de los motores sincrónicos. Arranque del motor por medio de la reducción de la frecuencia eléctrica Si los campos magnéticos del estator en un motor síncrono giran a una velocidad lo suficientemente baja, no habrá ningún problema para que el rotor se acelere y se enlace con el campo magnético del estator. Entonces se puede incrementar la velocidad de los campos magnéticos del estator aumentando gradualmente fe hasta su valor normal de 50 o 60 Hz. Este método de arranque de un motor síncrono tiene mucho sentido, pero presenta un gran problema: ¿de dónde se obtiene la frecuencia eléctrica variable? Los sistemas de potencia normales están regulados cuidadosamente a 50 o 60 Hz, por lo que hasta hace poco, cualquier fuente de voltaje con frecuencia variable tenía que provenir de un generador dedicado. Esta situación obviamente es poco práctica, excepto en circunstancias muy poco usuales. Hoy en día las cosas han cambiado. Se pueden usar los controladores de estado sólido para motores a fi n de convertir una frecuencia de entrada constante en cualquier frecuencia de salida deseada. Con el desarrollo de estos accionadores de estado sólido tan modernos es perfectamente 18

posible controlar continuamente la frecuencia eléctrica aplicada al motor desde una fracción de un Hertz hasta por arriba de la frecuencia nominal. Si esta unidad de control de frecuencia variable se incluye en el circuito de control del motor para lograr el control de la velocidad, entonces el arranque de un motor síncrono es muy fácil: simplemente se ajusta la frecuencia a un valor muy bajo para el arranque y luego se eleva hasta la frecuencia de operación deseada para la operación normal. Cuando se opera un motor síncrono a una velocidad menor a la velocidad nominal, su voltaje interno generador EA = Kɸω será menor que lo normal. Si se reduce la magnitud de EA entonces el voltaje en los terminales aplicado al motor se debe reducir también para mantener la corriente en el estator en niveles seguros. El voltaje en cualquier accionador de frecuencia variable o circuito de ataque de frecuencia variable debe variar casi linealmente con la frecuencia aplicada.

Arranque del motor con un motor primario externo. El segundo método de arranque de un motor síncrono es adjuntarle un motor de arranque externo y llevar la máquina síncrona hasta su velocidad plena con un motor externo. Entonces se puede conectar la máquina síncrona en paralelo con el sistema de potencia como generador y se puede desconectar el motor primario del eje de la máquina. Una vez que se apaga el motor de arranque, el eje de la máquina pierde velocidad, el campo magnético del rotor BR se retrasa con respecto a Bnet y la máquina síncrona comienza a comportarse como motor. Una vez que se completa la conexión en paralelo, el motor síncrono se puede cargar de manera normal. Todo este procedimiento no es tan absurdo como parece, debido a que muchos motores síncronos forman parte de un conjunto de motorgenerador y se puede arrancar la máquina síncrona en el conjunto motor-generador con otra máquina que cumpla la función de motor de arranque. Además, el motor de arranque sólo necesita superar la inercia de la máquina síncrona en vacío; no se añade ninguna carga hasta que el motor está conectado en paralelo con el sistema de potencia. Ya que se debe superar sólo la inercia del motor, el de arranque puede tener valores nominales mucho más pequeños que el motor síncrono que arranca. Debido a que la mayoría de los motores síncronos tienen sistemas de excitación sin escobillas montadas en sus ejes, a menudo se pueden utilizar estos excitadores como motores de arranque.

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Para muchos de los motores síncronos de tamaño mediano a grande, la utilización de un motor de arranque externo o el arranque por medio del excitador pueden ser la única solución posible, ya que los sistemas de potencia a los que están unidos probablemente no soportan las corrientes de arranque que se requieren para utilizar el método del devanado de amortiguamiento.

Arranque del motor con devanados de Amortiguamiento. Definitivamente la técnica de arranque de un motor síncrono más popular es la utilización de devanados de amortiguamiento. Los devanados de amortiguamiento son unas barras especiales dispuestas en ranuras labradas en la cara del rotor de un motor síncrono y en cortocircuito en cada extremo con un gran anillo en cortocircuito. En una maquina real los devanados de campo no están en circuito abierto durante el procedimiento de arranque. Si los devanados de campo estuvieran en circuito abierto, entonces se producirían voltajes demasiado altos en ellos durante el arranque. Si los devanados de campo están en cortocircuito durante el arranque, no se producen voltajes peligrosos y la corriente de campo inducida contribuye con una par de arranque extra para el motor. En resumen, si una maquina tiene devanados de amortiguamiento, se puede encender siguiendo el procedimiento que se describe a continuación: 1.- Desconectar los devanados de campo de su fuente de potencia de cd y que estén en cortocircuito. 2.- Aplicar un voltaje trifásico al estator del motor y dejar que el motor acelere hasta llegar casi a su velocidad síncrona. El motor no debe tener ninguna carga en su eje para que su velocidad se pueda aproximar tanto como sea posible a n 3.- conectar el circuito de campo cd a su fuente de potencia. Una vez que esto se lleva a cabo, el motor se fija a velocidad síncrona y se le pueden añadir cargas a sus ejes.

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3.9 Análisis fasorial del motor sincrónico bajo diferentes condiciones de carga y de excitación. Efecto de los cambios de carga en los motores síncronos Si se fi ja una carga al eje de un motor síncrono, éste desarrollará suficiente par como para mantener el motor y su carga a velocidad síncrona. ¿Qué pasa si la carga en un motor síncrono cambia? Para encontrar la respuesta a esta pregunta, examínese un motor síncrono que opera inicialmente con un factor de potencia en adelanto. Si se incrementa la carga en el eje del motor, el rotor comenzará a perder velocidad. Conforme pierde velocidad, el ángulo del par d se hace más grande y se incrementa el par inducido. Este incremento en el par inducido a la larga acelera de nuevo el rotor y el motor vuelve a girar a velocidad síncrona, pero con un ángulo de par d más grande.

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¿Cuál es la forma del diagrama fasorial durante este proceso? Para encontrar la respuesta a esta pregunta, examínense las restricciones sobre la máquina durante un cambio en la carga. La fi gura 5-6a) muestra el diagrama fasorial del motor antes de que se incrementen las cargas. El voltaje interno generado EA es igual a Kφω y, por lo tanto, sólo depende de la corriente de campo en la máquina y de la velocidad de ésta. La velocidad está restringida a ser constante en función de la fuente de potencia de entrada y, debido a que no se ha tocado el circuito de campo, también es constante la corriente de campo. Por lo tanto, |EA| debe ser constante aun cuando la carga varíe. Se incrementarán las distancias proporcionales a la potencia (E A sen δ e IA cos ϴ), pero la magnitud de EA debe ser constante. A medida que varía la carga, EA se mueve hacia abajo como se muestra en la fi gura 5-6b). Conforme EA se mueve hacia abajo cada vez más, se debe incrementar la cantidad jXSIA para llegar de la punta de EA hasta Vφ y, por lo tanto, también se incrementa la corriente en el inducido IA. Nótese que el ángulo u del factor de potencia también cambia, esto es, cada vez está menos en adelanto y más en retraso.

3.10 - Potencia, par electromagnético y rendimiento. Par o momento de torsión de ajuste a sincronismo En cuanto el motor está funcionando cerca de la velocidad síncrona, el rotor es excitado con la corriente directa. Esto produce polos N y S alternos alrededor de la circunferencia del rotor (Fig. 17.5). Si en este instante los polos quedan frente a polos de polaridad opuesta en el estator, se crea una fuerte atracción magnética entre ellos. Esta atracción mutua mantiene juntos los polos del rotor y del estator, y el rotor es literalmente obligado a sincronizarse con el campo rotatorio. Por ello, el momento de torsión desarrollado en este instante se llama momento de torsión de ajuste a sincronismo. 22

El par o momento de torsión de ajuste a sincronismo de un motor síncrono es poderoso, pero la corriente directa se debe aplicar en el instante correcto. Por ejemplo, si los polos emergentes N, S del rotor están opuestos a los polos N, S del estator, la repulsión magnética resultante producirá un violento choque mecánico. El motor se desacelerará de inmediato y los cortacircuitos se activarán. En la práctica, los arrancadores de motores síncronos están diseñados para detectar el instante preciso en que se deberá aplicar la excitación. Entonces el motor se acelera automáticamente y se sincroniza con el campo rotatorio. Una vez que el motor gira a velocidad síncrona, no se induce voltaje alguno en el devanado de jaula de ardilla, así que no transporta corriente. Por lo tanto, el comportamiento de un motor síncrono es enteramente diferente del de uno de inducción. Básicamente, un motor síncrono gira a causa de la atracción magnética entre los polos del rotor y los polos opuestos del estator. Para invertir la dirección de rotación, simplemente se intercambian dos líneas cualesquiera conectadas al estator.

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