TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA
MÁQUINAS SÍNCRONAS
APLICACIONES Y CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR SÍNCRONO
Profesor: Andrés Cervantes Hernández Alumno: Diego González Borrego
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN
INTRODUCCIÓN Una máquina síncrona (o sincrónica) es una máquina eléctrica utilizada en la mayoría de las ocasiones para la generación de energía eléctrica, sus características en cuanto a velocidad de rotación, construcción y factor de potencia, la hacen una máquina ideal para dicho trabajo. Se denomina síncrona ya que la velocidad del rotor de dicha máquina gira en sincronía con la frecuencia aplicada en sus terminales a diferencia de muchas máquinas de inducción u otros motores eléctricos donde el rotor está desfasado un ángulo y a las cuales se les denomina asíncronas. Los componentes generales de construcción de una maquinan síncrona son, el estator, el rotor y una fuente externa de alimentación conocida como excitatriz que por lo general es una fuente de excitación de CD, aunque en algunos casos puede alimentarse con CA y dentro de la construcción de la máquina existe un rectificador. Como ya se mencionó dichas máquinas son utilizadas la mayoría del tiempo como generadores, y para su funcionamiento es necesario como alimentación una fuente de Energía eléctrica de CC y una de Energía mecánica que por lo general es una turbina acoplada a dicho generador.
GENERADOR ENERGIA ELCTRICA CD
SINCRONO
A I G R E N E
ENERGIA MECANICA
A C A C I R T C E L E
Diagrama de un Generador Síncrono.
La construcción de una máquina síncrona es más compleja que cualquier otra máquina o motor eléctrico debido a diferentes factores, la característica más peculiar es su factor de potencia igual a 1, su capacidad de variar el ángulo entre flujos y corrientes lo cual permite la posibilidad de suministro de reactivos a la red ejerciendo como condensador síncrono, de la misma manera a causa de los estándares de frecuencia en el sistema interconectado nacional y tecnología de generación es necesario que, dentro de algunas centrales con generación hidráulica (represas) las máquinas generadoras tengas un alto número de polos. En la siguiente figura se observa las partes desarmadas de un generador g enerador síncrono.
Generador Síncrono, partes esenciales. Como se observa en la imagen y antes ya mencionado, las partes más esenciales de manera muy general en ésta máquina eléctrica son el estator (parte fija de la máquina y en su uso como generados es el inducido), el rotor (parte móvil de la máquina) y la excitatriz. Existen dos modalidades de generadores, los generadores polos salientes y polos no salientes (también llamados de rotos cilíndrico); cuando el tipo de tecnología de generación es un combustible fósil, por ejemplo, el gas natural, dichas centrales son llamadas de turbogas, ciclo combinado o térmicas, dependiendo de la forma de generación; y existen generadores que giran a velocidad muy grandes en donde por lo general su utilizan generadores de rotor cilíndrico sin posibilidad de incrementar el número de polos de la máquina pues no es necesario.
Tipos de Rotor de una máquina Síncrona APLICACIONES Generador Eléctrico : Como se ha mencionado a lo largo del presente trabajo, el campo más
grande de aplicación para una máquina síncrona es el de generador eléctrico (también conocido como alternador), se requiere una fuente de CD, una fuente de energía mecánica conocido como primo motor el cual hace girar el rotor de la máquina síncrona y por ley de ampere se inducen las bobinas del estator a causa del movimiento m ovimiento de las bobinas del rotor. La particularidad de dichas máquinas es, que la velocidad angular gira en sincronía con la frecuencia establecida. Para la operación de un sistema eléctrico de potencia muy grande, llamado bus infinito, la variación de frecuencia teórica es nula pero es sabido que mientras las centrales de generación interconectadas al bus infinito de un país estén cada vez más alejadas de dicho sistema puede haber variaciones considerables en la frecuencia a la que opera el sistema mencionado lo que resulta en fallas técnicas y con riesgos muy grandes al operar simultáneamente un sistema enorme. Por ejemplo, en el sistema interconectado nacional (SIN) de México, es posible una variación considerable de frecuencia cuando se interconecta una central de generación en una península al SIN; debido a lo anterior el generador síncrono ofrece una ventaja considerable cuando los puntos de generación eléctrica están alejados del punto de mayor concentración de un sistema interconectado nacional o, un bus infinito.
Condensador Síncrono: También conocido como compensador síncrono, se trata de una máquina
síncrona cuyo propósito es compensar la operación de la red inyectando potencia puramente reactiva. Para que lo anterior se cumpla, la máquina síncrona deberá tener un ángulo θ entre voltaje y corriente de 90°, el sistema de compensación tiene el mismo principio que cuando se conecta un capacitor en paralelo para mejor el f.p. de cualquier motor eléctrico (ya sea de inducción o universal), sólo que en éste caso se intenta compensar la tensión en un circuito de potencia de gran capacidad. La máquina síncrona funciona como motor, es decir, sin carga
mecánica y es capaz de absorber algunas decenas de kilo amperes de corriente en adelanto que circulan dentro del mismo circuito. El tener un condensador síncrono es un gasto extra a primer en cualquier tipo de industria, en aquellas en donde se manejan una gran cantidad de motores para el trabajo a realizar, esto resulta en una gran cantidad de carga inductiva lo cual se resume en un ángulo theta entre corriente y voltaje elevado; esto puede ser sancionado con multas de decenas de miles de pesos ya que ponen en riesgo la operación del sistema interconectado de la zona, por tanto, un condensador síncrono necesario para la corrección corrección del factor de potencia potencia de la carga de la la empresa. En la actualidad existen equipos de electrónica de potencia muy útiles y con un costo menor a la maquina síncrona, costo que se debe a su construcción, dichos equipos tienen una composición compleja pero desde un punto de vista práctico funcionan como una carga capacitiva en derivación con una reactancia variable a través de un tiristor o un transistor de potencia; son llamados SVC.
Existen bastas aplicaciones de la máquina síncrona, motor síncrono, carga en paralelo de motores de inducción, etc., en este documento sólo se mencionan aquellas en donde el enfoque es utilizar dicha máquina como generador. CARACTERÍSTICAS
VELOCIDAD DE GENERACIÓN VARIABLE
La velocidad de un generador síncrono está dada por la relación: =
120 120 ∙
En donde: fe= Frecuencia eléctrica [Hz] P= número de Polos n= velocidad [RPM]
De ésta manera es claro que al utilizar un generador síncrono con la finalidad de suministrar potencia a una frecuencia definida, es posible operar a una velocidad muy baja tal como en las empresas de generación hidroeléctrica, o muy alta, como es el caso de las empresas de generación con turbogas haciendo uso de una máquina de polos salientes y una máquina de rotor liso, respectivamente.
AJUSTE DEL F.P.
De manera independiente a los datos de placa proporcionados por el fabricante, los cuales están basados en la operación a carga nominal, la máquina síncrona tiene la capacidad de variar el factor de potencia al que trabaja de tal manera que, es posible desfasar el ángulo entre corriente y voltaje al máximo, esto es, 90° y de esta manera, como llama de mencionó antes, provocar que trabaje como un condensador síncrono, el cual teóricamente tiene una potencia real tanto de suministro como de consumo de cero (aunque en la práctica siempre existe potencia real debido a pérdidas en la máquina pero no son considerables).
COSTOS ELEVADOS
DE OPERACIÓN: Aunque un generador síncrono nos ofrece muchas ventajas frente a otras
máquinas de generación eléctrica, la misma construcción de dicha máquina provoca que se requiera no sólo un primo-motor sino además una excitación externa de corriente directa la cual debe suministrarse al generador para su funcionamiento, esto resulta en costos extras al momento de operación. DE CONSTRUCCIÓN: Otro costo adicional en un generador síncrono es el mantenimiento que se
debe realizar a la máquina para que tenga un funcionamiento adecuado, debido a su compleja construcción dicho mantenimiento mantenimiento no sólo es de manera regular, sino costoso. CONCLUSIONES
El generador síncrono es de las máquinas eléctricas de generación que han llegado a ser muy populares a lo largo del último siglo debido a sus bastas aplicación, desde un generador que opera en sincronía con la frecuencia hasta un condensador que sólo se encarga de la generación y consumo de reactivos; pero debido a las avances cada vez más grandes dentro de la electrónica de potencia, generación renovable y a que los costos de dichos aparatos tecnológicos han bajado considerablemente y una cantidad grande de patentes han sido liberadas esto resulta en una decadencia del uso del generador síncrono; las celdas fotovoltaicas, generación eólica, enlaces HVDC que facilitan la conversión de frecuenta, FACTS, SVCs, entre otros tantos, con uso más práctico y sencillo, un costo cada vez más bajo debido a la competencia y a la globalización, y cada vez más investigaciones al respecto, se ven a la delantera del tipo de generación tradicional.
