Maquinassincronas 130223090444 phpapp02 by Gustavo Flores

MÁQUINAS ELÉCTRICAS SÍNCRONAS Jorge Patricio Muñoz V. MSc - MBA

Principio de conversión de energía

Elementos básicos de las máquinas eléctricas rotativas

T ωm

v1, i1 v2, i2

• • • •

Una parte fija se denomina estator. En la cavidad del estator se coloca el rotor que es la parte móvil. El rotor se monta en un eje que descansa en dos rodamientos. El espacio de aire que separa el estator del rotor se denomina entrehierro.

Clasificación de las máquinas GENERADOR: transforma la energía mecánica en eléctrica. La acción se desarrolla por el movimiento de una bobina en un campo magnético.

MOTOR: transforma la energía eléctrica en mecánica. La acción se desarrolla introduciendo una corriente en la máquina por medio de una fuente externa.

TRANSFORMADOR: transforma una energía eléctrica de entrada (CA) con determinada magnitud de tensión y corriente en otra energía eléctrica de salida (CA) de diferentes magnitudes.

Unidades de las magnitudes electromagnéticas INTENSIDAD DE CAMPO MAGNÉTICO (H):

Amperios/m

INDUCCIÓN MAGNÉTICA (B):

Tesla (T) = Wb/m2

FLUJO MAGNÉTICO (Ø):

Weber (Wb)

FUERZA MAGNETOMOTRIZ (F):

Amperios*Vuelta

FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA (E):

Voltio (V)

PERMEABILIDAD (µo):

4 * 10 -7 H/m

µ =

B H

Principio de funcionamiento I = Intensidad de corriente B = Inducción magnética

La regla de la mano derecha es una regla nemotécnica (auxilia a la memoria) para orientar en el espacio un producto vectorial, o un sentido de giro. Nos dice que si estiramos la mano derecha con el pulgar hacia arriba, y el resto de dedos en forma de puño, el dedo índice nos indicará la dirección y sentido de la corriente eléctrica, mientras que el resto de dedos nos muestra el sentido del campo magnético.

Principio de funcionamiento

(movimiento ) (campo)

(corriente)

Principio de funcionamiento

B I

Generador de CA

Principio de funcionamiento Generador CA

FEM sinusoidal inducida de salida

Energía mecánica de entrada al generador que mueve la bobina de campo

FEM inducida proporcional a la velocidad de corte de las líneas de campo magnético. Ejemplo de la ley de Faraday.

Principio de funcionamiento FEM inducida en máquinas de CA e = Em sen ω t ωm

Polos

Escobilla Escobilla

Anillos colectores

Polos inductores

Espira

R (Resistencia – carga externa)

Amperímetro f.e.m. generada en la espira

Principio de funcionamiento Motor CA

Campo magnĂŠtico producido por bobinas

Anillos deslizantes (escobillas)

AlimentaciĂłn de AC

Fuentes de energía de entrada

Turbinas de gas y vapor

Eólico

Fotovoltaico

Hidro

Hidroeléctrico

Aplicaciones especiales

Fuentes de energía de entrada: Hidroeléctrica

Turbinas hidráulicas: Saltos gran altura: Turbinas Pelton (375 – 700 rpm) Saltos medios: Turbinas Francis (150 rpm) Saltos pequeños (< 30 m): Turbinas Kaplan (< 100 rpm) Por la baja velocidad son rotores de polos salientes.

Turbinas Hidrรกulicas

Pelton

Francis

Kaplan

Turbinas Hidrรกulicas

Pelton

Francis

Kaplan

Placa de una turbina hidrรกulica

Turbina de vapor

Partes constitutivas elĂŠctrica rotatoria

mĂĄquina

Partes constitutivas eléctrica rotatoria

Estator con devanados estatóricos Bornera

máquina

Ventilador de refrigeración

Flujo del aire de refrigeración

Eje motor

Rotor de jaula de ardilla

Cojinete

Aletas de refrigeración Carcasa

Campos giratorios. Teorema de Ferraris • Tres (3) tensiones trifásicas (120 º) con tres (3) devanados defasados a 120º eléctricos.

J.F.A.

Campos giratorios. Teorema de Ferraris R

I(t)

T’

S’

t T

S 0º

90º

180º

270º

360º

R’ • • • •

Tres (3) grupos de bobinas RR’, SS’ y TT’ R, S, T corrientes salientes del plano de la lámina. R’, S’, T’ corrientes entrantes. Los devanados llevan corrientes defasadas 120° en el tiempo y que los devanados están defasados 120° eléctricos en el espacio.

Campos giratorios. Teorema de Ferraris

• • • •

La onda de FMM (B) resultante en el entrehierro será igual a la suma de las tres (3) ondas pulsatorias (B1, B2, B3). La FMM en el entrehierro será: FMM = 3/2 Fm cos (ω t – θ) La FMM varía en función del tiempo según una sinusoide de amplitud (3/2 F m) y en el mismo instante de tiempo esta distribuida sinusoidalmente en el entrehierro. En consecuencia, la expresión anotada, tiene el carácter de una onda que se mueve alrededor del entrehierro, es una FMM giratoria.

Campos giratorios. Teorema de Ferraris â&#x20AC;˘ Ns y Nr es la velocidad igual a la velocidad de giro de la FMM en el entrehierro que se denomina velocidad sincronismo.

Velocidad del campo magnĂŠtico del estator

Velocidad del rotor

f =

Velocidad de 60 SINCRONISMO

Estator

Rotor

Campos giratorios. Teorema de Ferraris •

El rotor del generador es accionado por un motor primario

• Una corriente continua que fluye en el devanado del rotor, produce un campo magnético que rota dentro de la máquina • El campo magnético rotatorio induce una tensión trifásica en el estator del generador La frecuencia eléctrica de la red está sincronizada con la velocidad mecánica de rotación del generador síncrono, a través de la expresión:

f =

pn 60

En dónde:

f = es la frecuencia eléctrica, Hz p = es el número de pares de polos del generador n = es la velocidad del rotor, rpm

Velocidad de las máquinas eléctricas síncronas n =

60 f p

nº de polos

rpm 50 Hz

rpm 60 Hz

nº de polos

rpm 50 Hz

rpm 60 Hz

3000

3600

375

450

1500

1800

333

400

1000

1200

300

360

750

900

272

327

600

720

250

300

500

600

231

277

428

540

214

257

Uso de máquinas eléctricas síncronas •

Los generadores sincrónicos (síncronos) o alternadores son utilizados para convertir energía mecánica (derivada del vapor, del gas, o de turbinas hidráulicas) en energía eléctrica CA.

•

Los generadores sincrónicos son la fuente principal de energía actualmente en la industria eléctrica.

•

Los motores sincrónicos se construyen para aplicaciones industriales que exigen gran potencia, velocidad constante y pueden inyectar potencia y energía reactiva (capacitiva) (condensador síncrono).

Máquinas eléctricas síncronas

Los contenidos aquí expuestos son válidos para alternadores monofásicos y trifásicos. En el caso del alternador trifásico, las consideraciones y magnitudes son de fase

Configuraciones básicas del estator rotor

Estator y rotor cilíndricos

Estator cilíndrico y rotor con polos salientes

Estator con polos salientes y rotor cilíndrico

Configuraciones bรกsicas del estator rotor

Mรกquinas sincrรณnicas

Configuraciones bรกsicas del estator rotor Rotor polos salientes (inductor)

Polos salientes

Devanados del estator (inducido)

Polos lisos

MĂĄquina de polos salientes En aquellas turbinas hidrĂĄulicas que giran a baja velocidad (entre 50 y 300 rpm), se requiere de un gran nĂşmero de polos en el rotor. Entrehierro no uniforme

Sentido de las corrientes por el rotor S

Máquina polos lisos (rotor cilíndrico)

Generador

Turbina

D≈ 1m

L ≈ 10 m

Vapor o gas

Devanado del Estator

Estas máquinas son de alta velocidad: 3.600 rpm para 2 polos, y, 1.800 rpm para 4 polos. Los conductores se hidrógeno o con agua.

enfrían

Generan sobre los 2.000 MVA

Entrehierro Estator Devanado del Rotor

con

Rotor S

Tipos de máquinas síncronas

Estator de Coca Codo Sinclair

Tipos de máquinas síncronas

Rotor de Coca Codo Sinclair

Tipos de mĂĄquinas sĂncronas

Rotor de Delsitanisagua

Tipos de mĂĄquinas sĂncronas

Rotor de Delsitanisagua

Pérdidas En el cobre: debido a la resistencia de los conductores al paso de la corriente eléctrica.

En el hierro: pérdidas por histéresis y pérdidas por corrientes de Foucault (parásitas).

Pcu = ∑ Ri I i =1

2 i

PFE = PH + PF fricción

Mecánicas: debido al rozamiento de los cojinetes, a la fricción de las escobillas y a la ventilación (rozamiento del aire). Pérdidas fijas (no varían con la carga de la máquina) y pérdidas variables (varía con la carga como la corriente eléctrica)

ventilación

Pm = A * n + B * n3

Pfijas = PFE + Pm = ? Pvar iables = Pcu

Tipo de asilamientos. Temperaturas máximas de devanados Tipo de Aislamiento

Material Aislante

Impregnante o Barniz

Clase A (105°C)

Algodón, seda, rayón. Poliamida, acetato de celulosa. Esmaltes de resinas de poliéster.

Barnices naturales y sintéticos.

Clase B (130°C)

Tejidos fibra de vidrio y amianto. Mica, sola o con soporte de papel. Esmaltes a base de: poliuretano y polivinilos. Caucho etileno – propileno. Cintas fibra de vidrio y mica.

Barnices y resinas a base de: epóxicos, melamina, poliéster reticulado.

Clase F (155°C)

Tejidos fibra de vidrio barnizados. Papeles de mica y amianto. Compuestos a base de poliamida. Esmaltes y barnices a base de: poliéster modificado, polietileno, poliuretano, poliamida. Resina epoxi.

Barnices y resinas a base de: poliéster, poliuretano, epóxicas.

Clase H (180°C)

Tejidos de fibra de vidrio, amianto, mica, impregnados con silicona. Fibras de vidrio y caucho silicona. Esmaltes de silicona, poliéster poliuretano y poliésterimida.

Resinas de silicona

Clase 200 (200°C)

Materiales a base de mica, vidrio, cerámica, etc.

Tipo de servicio de máquinas eléctricas Tipo de Servicio

Características Operativas de la Máquina Eléctrica

Servicio S1 – Continuo

Funcionamiento con carga constante y de una duración suficiente para que se establezca el equilibrio térmico.

Servicio S2 – Temporal

Funcionamiento con carga constante durante un periodo de tiempo determinado, menor que el requerido para alcanzar el equilibrio térmico, seguido de un periodo de reposo suficiente para que la temperatura descienda hasta igualarse a la del fluido de refrigeración dentro de un margen de 2 °K.

Servicio S3 – Intermitente periódico

Sucesión de ciclos de servicios idénticos, comprendiendo cada uno un periodo de funcionamiento con carga constante y un periodo de reposo. La intensidad de arranque no influye apreciablemente en el calentamiento.

Servicio S4 – Intermitente periódico con arranque

Sucesión de ciclos de servicio idénticos, comprendiendo cada uno un periodo de tiempo de arranque, un periodo de funcionamiento con carga constante y un periodo de reposo.

Servicio S5 – Intermitente periódico con frenado eléctrico

Sucesión de ciclos de servicio idénticos, comprendiendo cada uno un periodo de tiempo de arranque, un periodo de funcionamiento con carga constante, un periodo de frenado eléctrico rápido y un periodo de reposo.

Tipo de servicio de máquinas eléctricas Tipo de Servicio

Características Operativas de la Máquina Eléctrica

Servicio S6 – Ininterrumpido con carga intermitente

Sucesión de ciclos de servicios idénticos, comprendiendo cada uno un periodo de funcionamiento con carga constante y un periodo de vacio. No existe periodo de reposo.

Servicio S7 – Ininterrumpido periódico con frenado eléctrico

Sucesión de ciclos de servicio idénticos, comprendiendo cada uno un periodo de arranque, un periodo de funcionamiento con carga constante y un periodo de frenado eléctrico. No existe periodo de reposo.

Servicio S8 – Ininterrumpido periódico con cambios de carga y velocidad relacionados

Sucesión de ciclos de servicio idénticos, comprendiendo cada uno un periodo de funcionamiento con carga constante correspondiente a una velocidad de giro determinada, seguido de uno o varios periodos de funcionamiento con otras cargas constantes correspondientes a velocidades de giro diferentes. No existe periodo de reposo.

Servicio S9 - Con variaciones no periódicas de carga y de velocidad

La carga y la velocidad tienen una variación no periódica en el margen de funcionamiento admisible. Este servicio incluye frecuentemente sobrecargas aplicadas que pueden ser ampliamente superiores a la plena carga.

Servicio S10 – Con cargas constantes diferentes

Un máximo de cuatro valores diferentes de carga, cada uno de los cuales se mantiene un tiempo suficiente para permitir que la máquina alcance el equilibrio térmico. La carga máxima de un ciclo de servicio puede tener un valor 0 (vacío o reposo)

Dígitos para indicar el grado de protección IP En la norma UNE 20-324 equivalente a norma europea EN 60529 establece un sistema de especificación general en función del grado protección que se consigue en cualquier material eléctrico. El grado protección se designa con las letras IP seguidas de tres cifras, de cuales en las máquinas eléctricas sólo se utilizan dos.

se de de las

1ª cifra: indica la protección de las personas frente a contactos bajo tensión y/o piezas en movimiento en el interior, así como la protección de la máquina frente a la penetración de cuerpos sólidos extraños. 2ª

cifra: indica la protección contra la penetración de agua.

3ª

cifra: indicaría la protección contra daños mecánicos.

Dígitos para indicar el grado de protección IP Número

1ra CIFRA

2da CIFRA

3ra CIFRA

Protección contra contactos directos y cuerpos extraños

Protección contra la penetración de líquidos

Protección contra los choques mecánicos

Sin protección

Protección contra contactos directos casuales de grandes superficies (ej. la mano). Protección contra la penetración de cuerpos sólidos extraños de diámetro superior a 50 mm

Protección contra la caída vertical de gotas de agua

Energía de choque: 0,225 J

Protección contra contactos directos con los dedos. Protección contra la penetración de cuerpos sólidos extraños de diámetro superior a 12 mm

Protección contra caídas de gotas de agua inclinadas en cualquier ángulo hasta 15 ° con la vertical

Protección contra contactos directos de herramientas, hilos, etc. Protección contra la penetración de cuerpos sólidos extraños de diámetro superior a 2,5 mm

Protección contra el rociado de agua en un ángulo de hasta 60 ° con la vertical

Protección contra contactos directos con herramientas, hilos, etc., Protección contra la penetración de cuerpos sólidos extraños de diámetro superior a 1 mm

Protección contra la proyección de agua en todas las direcciones

Energía de choque: 0,5 J

Dígitos para indicar el grado de protección IP Número

1ra CIFRA

2da CIFRA

3ra CIFRA

Protección contra contactos directos y cuerpos extraños

Protección contra la penetración de líquidos

Protección contra los choques mecánicos

Protección total contra contactos directos. Protección contra depósitos de polvo perjudiciales

Protección contra chorros de agua en todas las direcciones

Protección total contra contactos directos. Protección total contra penetración de polvo

Protección contra inundaciones pasajeras

Protección contra los efectos de inmersión

Protección contra los efectos de inmersión prolongada

Energía de choque: 2 J

Energía de choque: 6 J

Energía de choque: 20 J

Placa de características eléctricas

Principio de funcionamiento Máquinas síncronas

• • • •

•

Se basa en la ley de Faraday. Para crear tensión inducida en el devanado inducido o de armadura (estator), se debe crear un campo magnético en el inductor o rotor. El campo magnético en el rotor se crea mediante la circulación de una corriente continua ingresada en la máquina a través de anillos rozantes y escobillas (corriente de excitación). El rotor gira por la máquina motriz acoplada al eje. El giro del campo magnético del rotor inducirá una f.e.m. o tensión en el devanado inducido o de armadura (estator) que al estar conectada una carga, producirá la circulación de una corriente alterna fluyendo a través de él. La corriente alterna del estator, por el Teorema de Ferraris, crea un campo magnético giratorio a igual velocidad del rotor.

Principio de funcionamiento Máquinas síncronas •

Un generador sincrónico tiene dos partes activas:

Un rotor (devanado inductor concentrado o distribuido en ranuras) excitado por DC. Un estator (devanado inducido distribuido formando un arrollamiento trifásico), en el que se genera una fuerza electromotriz AC.

•

En máquinas pequeñas < 10 kVA, el devanado inductor esta en el estator.

•

En máquinas grandes que pueden llegar a 1.000 – 1.500 MVA la colocación de los devanados es inversa.

•

La manera en que las partes activas de una máquina sincrónica se enfrían, determina su tamaño y su estructura.

Principio de funcionamiento Máquinas síncronas

V V

Fotografías máquinas síncronas

Sistemas de excitación

Sistema de excitación con dínamo excitatriz

Sistema de excitación electrónico

Funcionamiento en vacío a

El esquema simplificado de la máquina síncrona de polos salientes. Al girar el rotor a la velocidad n se inducen fem’s en los arrollamientos de las 3 fases del estator que están desfasados 120° que corresponden a la separación espacial.

c' c

+ b' b

Si se consideran N espiras de cada fase concentradas y que los flujos concatenados por las mismas varía entre los límites + φm y – φm, el valor medio de la fem indicada de cada fase será: E med =

2 T

e dt =

2 T

2 -φ m N dφ T ∫+φm = 4 f N φm

E med = − E med

∫

T72

∫

T72

( −N

dφ dt dt)

Funcionamiento en vacío El valor eficaz de la fem es igual al valor medio multiplicado por el coeficiente de forma Kf de la onda producida. El voltaje generado E (fem eficaz) está dado por la expresión:

E = 4K f f N φ m En dónde: Фm = es el flujo máximo en la máquina (función de Ie) f= Kf =

es la frecuencia eléctrica es el coeficiente de forma de la onda producida Ie E

Funcionamiento en vacío Teniendo en cuenta que las espiras están distribuidas sobre la periferia del estator, pudiendo existir al mismo tiempo acortamientos de cada bobina, la fem se verá afectada por los coeficientes de devanado. En consecuencia:

E = 4 K K K a f N φm

d f En dónde: Kd = es el coeficiente de distribución

Ka =

e el coeficiente de acortamiento de los devanados del inducido Ie E

Funcionamiento en vacío Para obtener una fem senoidal en los devanados del estator es necesario la distribución senoidal de la inducción magnética B a lo largo de la periferia del rotor. Para conseguir que la distribución de B sea senoidal, habrá que aumentar el entrehierro desde el centro del polo hasta uno de sus extremos, ya que de esta forma aumenta la reluctancia gradualmente, conduciendo a que B se parezca más a la forma senoidal.

Funcionamiento en vacío La forma de onda de la expresión anterior no es completamente senoidal lo que significa la presencia de armónicos. En forma general, no se llegará a la senoide perfecta y por tanto la fem resultante contendrá armónicos. Estos armónicos se reducen por la distribución y acortamiento de bobinas del inducido que le componen. En máquinas con rotor cilíndrico, la obtención de una forma de B senoidal se logra por una adecuada distribución del arrollamiento de excitación a lo largo de la periferia del rotor.

Funcionamiento en vacío La característica de funcionamiento en vacio es la curva Eo = f (Ie) que expresa la fem en bornes en función de la corriente excitación. Determinación de la curva en forma experimental. La relación entre el voltaje generado y la corriente de excitación I e se conoce como característica de saturación del generador: Línea del entrehirerro

Eo (voltios)

Saturación del núcleo

Ie (amperios)

Funcionamiento con carga Reacciรณn del inducido Ie

IR IS IT

Carga variable

Funcionamiento con carga Reacción del inducido Cuando una corriente circula por el inducido, el flujo ya no esta engendrado solo por el inductor , sino que a la acción de éste se le superpone el flujo creado por el inducido. Este fenómeno se denomina reacción del inducido. Con la corriente del inducido se produce: una caída de tensión en el inducido (en la resistencia y reactancia) a la vez se produce una fmm que reacciona con la del inductor modificando el flujo del entrehierro de la máquina. 1.La caída de tensión en el circuito se produce en la resistencia y la inductancia de dispersión del inducido (estator). 2.La reacción del inducido depende de la magnitud y de la fase de la corriente.

Funcionamiento con carga Reacción del inducido

Se debe considerar la reactancia del inducido que se debe al flujo de dispersión del estator que no interacciona con el flujo del rotor. Este flujo de dispersión se desarrolla en las cabezas de las bobinas y dentro de las ranuras donde se sitúa el devanado. Este flujo de dispersión permite definir un coeficiente de autoinducción Lδ que da lugar a la reactancia de dispersión del estator (Xδ). donde:

Xδ = Lδ 2 π f

Funcionamiento con carga Reacción del inducido

En esta reactancia Xδ tiene lugar la caída de tensión inductiva de la máquina síncrona, cuya magnitud a plena carga puede alcanzar valores entre el 10% al 15% de la tensión asignada del inducido. El efecto que provoca la fmm del inducido sobre la fmm del inductor, modificando el flujo del entrehierro de la máquina, se denomina "reacción del inducido" y sobre él tiene influencia la magnitud y el ángulo de fase de la corriente del estator.

Funcionamiento con carga Reacciรณn del inducido

Flujo de excitaciรณn inductor (rotor)

Flujo del inducido (estator)

Funcionamiento con carga Reacciรณn del inducido

Flujo del inducido (estator)

Flujo de excitaciรณn inductor (rotor)

Funcionamiento con carga Reacciรณn del inducido

Flujo del inducido (estator)

Flujo de excitaciรณn inductor (rotor)

Funcionamiento con carga Reacción del inducido

ФR Ф ФR

Ф ФR

Curvas caracterĂsticas de un alternador para distintos tipos de cargas Corriente de excitaciĂłn

Voltaje en bornes

Corriente de carga

Corriente de corto circuito

1. Corriente de excitaciĂłn constante, y 2. carga variable

1. Voltaje en la carga constante, y 2. carga variable

Máquina con rotor cilíndrico Impedancia síncrona Se denomina método de Behn-Eschenburg y se aplica a máquinas con rotor cilíndrico que trabaja en régimen lineal. Este método permite obtener un circuito eléctrico equivalente de la máquina síncrona. En la máquina están implicados tres flujos: El flujo de dispersión øδ que esta en fase con la corriente del inducido y que da lugar a una caída de tensión en la reactancia de dispersión Xδ, produce una caída de tensión (adelantada 90° con respecto a I del inducido) E δ = + j Xδ I El flujo de excitación øe producido por la fmm Fe y en fase con ella, que es la causante de la fem producida en vacio E0, misma que esta retrasada (según Ley de Faraday) en 90 ° respecto al flujo øe.

Máquina con rotor cilíndrico Impedancia síncrona El flujo de reacción del inducido øi ("p"), producido por la fmm Fi, esta en fase con la corriente I del inducido produce una caída de tensión Ep (retrasada 90° con respecto a la corriente del inducido I). Ep = - j X p I En la siguiente Figura, se consigue sustituir el triángulo rayado de fmm por otro triángulo semejante de fem por la proporcionalidad entre magnitudes consecuencia de considerar un circuito magnético lineal. Triángulos semejantes

Fr = Fe+ Fi

Fe = fmm de excitación Fi = fmm de reacción del inducido

Caída de tensión Ep por reacción del inducido

Máquina con rotor cilíndrico Circuito equivalente

Xs = Xδ + Xp Z s = R + j Xs

(reactancia síncrona) (impedancia síncrona)

Eo = fem en vacío, (V) V = voltaje en bornes de máquina síncrona (V) R = resistencia del inducido por fase (ohm) Xs = reactancia síncrona por fase (ohm) Xδ = reactancia de dispersión por fase (ohm) Xp = reactancia de reacción del inducido (ohm) I = intensidad de corriente (A) Φ = ángulo de desfasamiento de la carga

Características de la carga

φ=0

Eo φ

φ V

Prueba de vacío Prueba de vacío: Se pone en marcha hasta conseguir la velocidad de sincronismo. Se regula la corriente de excitación desde 0 hasta I e para producir un valor en bornes equivalente a V n. Este Vn corresponde a la fem en vacío E0 que es la tensión en los terminales de la máquina cuando la corriente del inducido I es nula. Al no existir corriente de inducido I, el motor primario deberá vencer únicamente las pérdidas mecánicas y las del hierro.

I=0

I =0 E0 = V

Prueba de cortocircuito Prueba de cortocircuito:

Se pone en marcha hasta conseguir la velocidad de sincronismo. Se regula la corriente de excitación desde 0 hasta I e para producir un valor de corriente nominal en el inducido (I n). El voltaje nominal es igual a cero (Vn=0). Se regula la corriente de excitación I e hasta alanzar el 130% de In. El motor primario deberá vencer las pérdidas mecánicas y las del cobre del inducido (las del hierro son pequeñas en razón de ser el flujo reducido). El valor de la R se puede medir con ohmetro.

V =0 E 0 = (R + j X s ) Icorto = Z s Icorto Zs = XS =

Icorto ZS2 − R 2

Prueba de cortocircuito El circuito equivalente al cortocircuito se presenta a continuación (por simplicidad se ha considerado R = 0). El flujo en el entrehierro es el que crea la fem resultante Er. Se parte de la Icc en el eje imaginario negativo (-90°), la fem E0 estará situada en el eje real (0°) y es del orden la tensión nominal. La fmm necesaria para crear E0 será Fe (adelantada 90°). La fmm de reacción del inducido Fi es totalmente desmagnetizante y se opone a la fmm de excitación Fe.

Prueba de vacío y cortocircuito Zs varía debido a saturación de la máquina. Zs es constante para excitaciones pequeñas y la característica de vacío coincide con la recta del entrehierro, dando lugar a la Zs no saturada. En la práctica la máquina trabaja en el codo de la curva de vacío. Zs para fines prácticos se acostumbra tomar el valor saturado

Od O' e Od Z s (saturada) = O' f Z s (no saturada) =

Corriente de excitación

Prueba de vacío y cortocircuito En la práctica la recta de cortocircuito tiende a saturarse para valores de la corriente de cortocircuito del orden de 1,2 a 1,3 veces la corriente nominal.

Od O' e Od Z s (saturada) = O' f Z s (no saturada) =

Partiendo de este valor de impedancia la reactancia síncrona será:

Xs =

Corriente de excitación

Z 2s − R 2

Máquinas síncrona. Análisis no lineal • •

•

Aplica a máquinas síncronas de rotor cilíndrico (Método de Potier) que trabajan en zona de saturación. El Método de Potier determina: 1) la caída de tensión en la reactancia de dispersión X δ (E δ = + j Xδ I); y, 2) la fmm que produce la reacción del inducido (Fi). Para aplicar el Método de Potier es necesario conocer la curva de vacío Eo en función de la fmm Fe (Ie) y además realizar un ensayo con carga inductiva pura.

Máquinas síncrona. Análisis no lineal • • • • •

Se observa que los fasores V, XδI y Er están en fase, al igual que las fmm Fe, Fr y – Fi, presentando ésta última el efecto desmagnetizante. Para obtener V en bornes, la Ie es igual a OF (Fe); si MF indica la fmm de reacción del inducido (Fi); OM equivale la fmm resultante (Fr) (Fr = Fe – Fi) o (OM = OF – MF). La fmm Fr (OM) induce la fem resultante Er = MC Conociendo los puntos A y A’ puede construirse el triángulo ABC.

Reacción del Inducido

Máquinas síncrona. Análisis no lineal • • • • •

La fmm del inductor Fe es opuesta a la del inducido Fi (des magnetización). En la curva reactiva, para obtener V es necesario el equivalente OF. MF representa la fmm de reacción del inducido Fi La Fr (OM) induce una fem resultante Er = MC La fem por la reactancia de dispersión es: Xδ I = CB = E δ

Máquinas síncrona. Análisis no lineal •

• •

Asumiendo constante Xδ se puede desplazar el triángulo ABC denominado triángulo de Potier obteniendo A’B’C’. De esta manera OA’ puede obtenerse de la prueba con carga reactiva. Realmente CB que es la fem de dispersión no da Xδ I sino una nueva reactancia denominada reactancia de Potier que es algo superior a Xδ, esto se debe a que la curva de vacío que expresa la relación Eo = f(Fe) no es la misma que la que define la fem resultante Er en función de Fr y que se han considerado idénticas. Se explica por el aumento del flujo de dispersión del rotor a medida que aumenta la corriente del rotor. La diferencia entre reactancias de dispersión y Potier no es grande en máquinas de rotor cilindrico y puede considerarse la misma. Conocidas estas magnitudes podrá construirse el diagrama fasorial para deducir la regulación de la máquina y la fem Eo.

Máquinas polos salientes. Regulación tensión Características: Entrehierro variable. Mayor entrehierro en el eje de cuadratura o transversal (región media entre polos o línea interpolar). La reacción del inducido se descompone en dos: fmm de reacción de eje directo (Fd) o longitudinal y fmm de reacción en eje cuadratura o transversal (Fq).

Eje d (directo)

Eje q (cuadratura)

Máquinas polos salientes. Regulación tensión Existen tres fmm que interaccionan en la máquina: Fe (de excitación); Fd (reacción inducido eje directo); y, Fq (reacción inducido eje cuadratura), que al considerar la teoría lineal de la máquina se puede asumir que son flujos independientes que crean a su vez fem’s inducidas. E pd = - j Xpd Id ;

E pq = - j Xpq Iq ;

I = I d + Iq

E pd = fem de reacción del inducido eje directo E pq = fem de reacción del inducido eje cuadratura Debe tenerse en cuenta que la fem de vacío E0 producida por le inductor actúa en el eje q, puesto que debe ir retrasada 90° respecto a la línea de los polos. Considerando la fem producida por la reactancia de dispersión.

Máquinas polos salientes. Regulación tensión E pd = − jX pd I d ; E pq = − jX pq I q ; I = Id + Iq E o = V + RI + jX δ I + jX pd I d + jX pq I q Reemplazando (I = I d + I q ) E o = V + j(X δ + X pd )I d + j(X δ + X pq )I q X sd = X δ + X pd X sq = X δ + X pq X sd = X d X sq = X q E o = V + jX d I d + jX q I q

Epd y Epq = fem reacción del inducido de eje directo y eje cuadratura Xd y Xq pueden ser determinadas prácticamente mediante pruebas de deslizamiento. Las variables conocidas son V, I y el desfase φ. Los componen Id e Iq de la corriente del inducido dependen del ángulo ψ.

Máquinas polos salientes. Regulación tensión E o = V + jX d I d + jX q (I − I d ) E o = V + jX q I + j(X d − X q )I d

;

E o = Od

ψ = δ +ϕ En el triàngulo bcd bd = (X d − X q )I * senψ = (X d − X q )I d bc = (Xd - Xq)I

V+ j Xq I

I jX q*

ab = Xq I

O O

ac = Xd I

Máquina síncrona. Regulación del voltaje Una forma práctica de comparar el comportamiento de la tensión generada por dos máquinas sincrónicas, es a través de la comparación del factor denominado regulación de voltaje (Ɛ). El Ɛ de un generador síncrono para una determinada carga, factor de potencia, y, velocidad nominal, se define como: ε=

E nl − Vfl × 100% Vfl

En donde: Vfl = es la tensión a la salida del generador a full carga Enl = (equivalente a E0) es la tensión en los bornes sin carga (tensión interna), a velocidad nominal, cuando se quita la carga sin necesidad de cambiar el campo actual. En los generadores con factor de potencia bajo (+), el Ɛ es altamente positivo. Para factores de potencia medios, Ɛ es positivo, y, para factores de potencia altos (-), el Ɛ es negativo.

Funcionamiento Alternador en red aislada • La cantidad de redes aisladas son mínimas. • Cuando el generador está funcionando aisladamente de un sistema eléctrico (o sea, está en una isla de potencia), la excitación del campo controla la tensión eléctrica generada. • El funcionamiento del generador (características de operación) varía con el factor de potencia. • Se incorpora el regulador de tensión que al variar la corriente de carga del generador permite estabilizar la tensión actuando sobre la excitatriz (Ie).

Funcionamiento Alternador en red aislada • La máquina primaria (turbina) tiene un regulador de velocidad que actúa sobre la entrada del agua en turbinas hidráulicas, manteniendo constante la velocidad y por tanto la frecuencia.

Funcionamiento Alternador en red aislada • •

Regulador de tensión incorporado a la excitatriz para variar la corriente de campo lo que permite controlar la tensión de salida. Regulador de velocidad actúa sobre la entrada del caudal de agua (turbina hidráulica), permitiendo controlar la velocidad y por consiguiente la frecuencia.

Regulador de velocidad

Alternador acoplado al SNI •

•

Cuando el generador está conectado a una barra infinita (sistema eléctrico que posee diversos generadores interconectados con tensión y frecuencia constantes), la excitación del campo controla la potencia reactiva generada y el caudal (turbina hidráulica) controla la potencia activa generada. Para abastecer la demanda se conectan varios grupos de generadores en paralelo. La red así constituida “equivale” a un generador gigantesco en el que prácticamente la tensión y frecuencia se mantienen constantes.

Alternador acoplado al SNI โ ข

En Ecuador la capacidad instalada (efectiva) en generaciรณn es de 7.643 MW (marzo-2017). Infraestructura del SNI al 2017

Alternador acoplado al SNI •

En Ecuador la capacidad instalada (efectiva) en generación es de 7.643 MW (marzo-2017). CENTRALES HIDROELÈCTRICAS

Coca Codo Sinclair 1500 MW

Sopladora 487 MW Minas San Francisco 275 MW Delsitanisagua 180 MW

Alternador acoplado a la red • •

La conexión en paralelo de un alternador (generador) implica una serie de operaciones complejas que se denomina sincronización de la máquina. Para sincronizar un alternador es necesario que la tensión instantánea del generador tenga igual magnitud y fase que el valor instantáneo de la tensión de la red. VRR' = −2 2VF senω 0 t * senω b t ωo ≈ ω

ωb =

ω − ω' 2

Con frecuencia de 60 Hz – RED (S. N.I. - ω)

Con frecuencia de 58 Hz – Generador (ω’) ωo

V/V’

ω’

f/f’ Vo S A2

Alternador acoplado a la red •

Condiciones para acoplar en paralelo un alternador:

1) Las frecuencias de ambas tensiones deben ser iguales. 2) La tensión del generador debe tener un valor eficaz igual a la tensión de la red y sus fases deben coincidir. 3) Identidad de fases (R-R’; S-S’; T-T’) 4) Las secuencias de fases del alternador y la red deben ser idénticas.

Alternador acoplado a la red

Lรกmparas de sincronizaciรณn

Montaje equipos en Isimanchi

Montaje equipos en Isimanchi (Regulador de Velocidad)

Proceso de sincronización 1. Llevar la máquina A2 hasta una velocidad próxima a la de sincronismo. 2. Excitar la máquina A2 de forma que el voltímetro U2 indique el mismo valor que el voltímetro U1. 3. Comprobar que las lámparas se enciendan y apaguen simultáneamente (máximos y mínimos simultáneos). Si se presenta luces giratorias es preciso cruzar dos conexiones. 4. Actuar sobre la velocidad de A2 para ir reduciendo el parpadeo. Usar el interruptor de acoplamiento cuando el apagado de las lámparas dure unos 4 a 5 segundos. Cuando las agujas se para en “0” las frecuencias son iguales y cuando las frecuencias difieren la aguja gira en uno o en otro sentido.

TERMO

NUCLEAR

DERIVADO LINEA DE TRANSMISION A OTRAS ZONAS GEOGRAFICAS

TRAFO

TRAFO BARRA INFINITA 230 kV

CENTRO DE CARGA

Potencia activa y reactiva de máquina síncrona (polos lisos) acoplada a red infinita E

=V +j X I (despreciando R ) o s i * S = 3 VI = P + j Q

−V o jX s Considerando

E o = E o ∠δ = E o cosδ + j E o senδ Reemplazan do (E cosδ − V) + j E senδ o o jX s

Eo cos δ

Eo sen δ

Potencia activa y reactiva de máquina síncrona (polos lisos) acoplada a red infinita

S = 3V

cosδ −V) - j E - jX

senδ

V E V cosδ −V 2 o S =3 senδ + j 3 o X X s s E

Eo sen δ

Eo cos δ

Potencia activa y reactiva de máquina síncrona (polos lisos) acoplada a red infinita 3E V 3E V o o senδ = P senδ ⇒P = max max X X s s E V cosδ − V 2 Q =3 o X s

P =

• La variación del regulador de velocidad de la turbina provoca un cambio en la potencia activa que entrega la máquina, que se ve reflejada físicamente como una modificación en el ángulo δ que forma la fem E0 con la V. • La variación de la corriente de excitación provoca un cambio en la potencia reactiva que entrega la máquina pero no afecta a la potencia activa que puede ceder o absorber.

Eo sen δ

Eo cos δ

Potencia activa y reactiva de máquina síncrona (polos lisos) acoplada a red infinita 1. A δ se denomina ángulo de potencia y también ángulo de carga. Angulo δ

2. Si δ>0 la potencia activa es positiva y corresponde al funcionamiento como generador síncrono.

Generador Motor

3. Si δ<0 la potencia activa es negativa, la máquina recibe potencia activa de la red y trabaja como motor síncrono entregando potencia mecánica en el eje.

Potencia activa y reactiva de máquina síncrona (polos lisos) acoplada a red infinita Si δ>0 la potencia activa es positiva y corresponde al funcionamiento como GENERADOR síncrono. P (+)

Q>0 Q<0

Si δ<0 la potencia activa es negativa, la máquina recibe potencia activa de la red y trabaja como MOTOR síncrono entregando potencia mecánica en el eje. I

P (-)

φ -δ Eo

V jXsI

Analogía Mecánica de la Máquina Síncrona

Eo Eo Eo

Balances de potencias. Rendimiento

Motor síncrono •

Un motor síncrono, físicamente es la misma máquina que un generador, salvo que la dirección del flujo de potencia se invierte.

•

Los motores síncronos se utilizan para convertir energía eléctrica en mecánica.

•

Los motores síncronos habituales se fabrican para la industria pesada, en potencias de entre 150 KW (200 HP) y 15 MW (20.000 HP), y, tienen velocidades de giro de entre 150 a 1800 rpm.

Motor síncrono •

• •

Los motores síncronos que pueden arrancar en vacío (sin carga mecánica), la puesta en marcha se realiza por medio de un motor auxiliar (motor pony), generalmente asíncrono con igual número de polos que el motor principal, de tal forma que se consigue una velocidad de rotación casi síncrona y la conexión a la red se realiza empleando equipos de sincronización al igual que el acoplamiento de un alternador a la red. Se pueden emplear motores de CC para este fin con la ventaja que se puede regular su velocidad. Otro procedimiento práctico consiste en su arranque como asíncrono para lo cual es necesario una jaula de ardilla sobre los polos de la máquina.

Motor síncrono •

Los motores síncronos se utilizan generalmente en tamaños grandes, porque en tamaños pequeños son más costosos en comparación con las máquinas de inducción.

•

El factor de potencia de la máquina sincrónica se puede controlar muy fácilmente mediante el control de la corriente de campo.

Transitorio de cortocircuito de una máquina síncrona • • •

La condición más grave que le puede ocurrir a un generador síncrono es el cortocircuito trifásico. Este fenómeno físico da lugar a la definición de nuevas reactancias síncronas en el comportamiento transitorio. La figura presenta la naturaleza de la variación de la corriente en una de las tres fases en el momento del cortocircuito. Los valores pico de la corriente (máximo positivo y negativo) se define por la envolvente ab y ef. La corriente cd, equidistante entre las envolventes, representa una corriente unidireccional (CC) que cae lentamente, sobre la que se superpone otra de CA que también se amortigua con el tiempo (ver figura siguiente lámina).

Transitorio de cortocircuito de una máquina síncrona • • • •

Las envolventes de la nueva figura (una de ellas a’b’) serán simétricas. Esta figura se denomina señal componente simétrica de la CA de cortocircuito. La aparición de estas componentes se basa en el concepto de flujo atrapado. La componente simétrica puede dividirse en tres periodos: 1) subtransitorio, durante el primer ciclo luego de la falla; 2) transitorio, disminuye con mayor lentitud; y, 3) estacionario, la corriente alcanza el régimen permanente.

Subransitorio

Transitorio

Permanente

Transitorio de cortocircuito de una máquina síncrona • •

En el periodo subtransitorio, la corriente de cortocircuito está limitada en el estator únicamente a la reactancia de dispersión. Al no poder cambiar el flujo instantáneamente para contrarrestar el efecto desmagnetizante de la corriente en el inducido, aparecerán corrientes en el devanado de excitación (Xe) y en los devanados amortiguadores (Xa), siendo Xp la reactancia de reacción del inducido. El equivalente de este circuito se denomina reactancia subtransitoria (Xs").

Subransitorio

Transitorio

Permanente

Transitorio de cortocircuito de una máquina síncrona X s '' = X δ + I'' =

Subransitorio

1 1 1 1 + + Xa Xe Xp

X s ''

Transitorio

Permanente

Transitorio de cortocircuito de una máquina síncrona •

El efecto del devanado amortiguador desaparece después de los primeros ciclos a causa de que la resistencia de este bobinado es mayor que la del devanado de excitación. La reactancia equivalente se denomina reactancia transitoria (Xs’). X s' = X δ +

I' = Subransitorio

1 1 1 + Xe Xp

X s'

Transitorio

Permanente

Transitorio de cortocircuito de una máquina síncrona •

Después del periodo transitorio desaparece la corriente de excitación dando lugar al periodo permanente y a la reactancia síncrona normal Xs. Xs

= Xδ +Xp

Icorto =

Subransitorio

Transitorio

E0 Xs

Permanente