Maquinas Sincronas Primera Parte

ÍNDICE INTRODUCCIÓN............................................. ................................................................... ............................................ ............................................. ....................................... ................ 2

RESUMEN ............................................. ................................................................... ............................................ ............................................ ............................................. ............................ ..... 3 I. OBJETIVOS ................................................................................................. ............................................................................................................................................ ........................................... 4 OBJETIVO PRINCIPAL .................................................................................................................... .......................................................................................................................... ....... 4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................................. ................................................................................................................... ....... 4 II.

FUNDAMENTO TEÓRICO ........................................................................................................ .............................................................................................................. ....... 5

2.1. CONSTITUCIÓN ELECTROMECÁNICA ............................................................. .................................................................................. ..................... 5 2.2.

.................................................................................................................................. ...................................................... 9 CLASIFICACIÓN ............................................................................

2.3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO .................................................................................... 10 2.4. PROTOCOLO DE ENSAYOS NORMADOS .............................................. ............................................................................ .............................. 11 2.4.1. Pruebas de rutinas para maquinas síncronas......................................................... 11 2.5. ANÁLISIS DE LAS POTENCIAS DE LAS MAQUINAS SÍNCRONAS DE POLOS LISOS ........................................................................................................................... ........................................................................................................................................................ .............................. 16 2.6. ANÁLISIS DE LAS POTENCIAS DE LAS MAQUINAS SÍNCRONAS DE POLOS SALIENTES ................................................................................................................. .............................................................................................................................................. .............................. 18 2.7. EFICIENCIA EN MAQUINAS SÍNCRONAS ........................................... ......................................................................... .............................. 19 2.7.1. Pérdidas presentes en las máquinas ......................................................................... 19 2.7.2. Método A: Entrada-Salida ................................................................... .............................................................................................. ........................... 21 2.7.3. Método B: Entrada-Salida con segregación de pérdidas y medida indirecta de pérdidas parásitas. ............................................................................ ..................................................................................................................... ......................................... 22 2.7.4. Eficiencia motor sincrónico ...................................................................................... ........................................................................................... ..... 23 2.7.5. Eficiencia generador sincrónico ................................................................................... .................................................................................. 23 2.8. REGULACIÓN EN MAQUINAS SÍNCRONAS ...................................................... ...................................................................... ................ 24 2.8.1. Regulación de tensión ................................................. ..................................................................................................... .................................................... 24 2.8.2. Características de regulación .................................................................................. ....................................................................................... ..... 25 2.8.3. Método de la AIEE o Método ASA para la regulación de tensión .................... 26 III. APLICACIONES INDUSTRIALES .............................................................................................. 28 3.1. Principales aplicaciones ......................................................................................................... 28 1. Turbo Alternadores .............................................................. .................................................................................................................. .................................................... 28 2. Grupo electrógeno .................................................................................................................... ................................................................................................................... 29 3. Compensadores síncronos: ................................................................................................... 29 IV.

CONCLUSIONES ........................................................................................................................ ............................................................................................................................ ..... 30

V. RECOMENDACIONES ................................................................... ....................................................................................................................... .................................................... 30 VI. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................... .............................................................................................................................. 31 VII. ANEXO ........................................................................................... ............................................................................................................................................... .................................................... 32 7.1. ANEXO-2 Protocolo Proyecto Peñas Blancas .............................................................. 32 –

7.2. ANEXO-3 Protocolo ABB ..................................................................................................... 33 –

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INTRODUCCIÓN Dentro de las maquinas eléctricas, en esta ocasión tenemos como objeto de estudio las maquinas síncronas. Estas máquinas son de mucha importancia en lo que es la generación de energía eléctrica en nuestro país, ya que en la actualidad son la fuente más importante de generación que tenemos y abarca una parte importante dentro de nuestro sector eléctrico. Las maquinas síncronas son máquinas eléctrica rotativas de corriente alterna donde la velocidad de su eje de rotación y la frecuencia eléctrica están sincronizadas, la máquina puede operar tanto como motor y generador. Como motor síncrono convierte la energía eléctrica en energía mecánica y la velocidad de rotación del eje dependerá de la frecuencia de la red eléctrica que se le suministre o bien convierte energía mecánica en energía eléctrica, siendo en este caso utilizada como generador síncrono y la frecuencia entregada en las terminales dependerá de la velocidad en la que el eje esté girando. En este presente trabajo tenemos como objetivo conocer e identificar la constitución electromecánica de esta máquina, sus partes que la constituyen, así como estudiar su funcionamiento, además practicar los ensayos normados y estandarizados por institutos internacionales de electricidad.

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RESUMEN Como primera parte de este trabajo de investigación, se presenta la constitución electromecánica de las maquinas síncronas, su clasificación general y principales características, así como su principio de funcionamiento, muy importante para comprender a estas máquinas. Tenemos también las pruebas normadas por estándares internacionales, pruebas que se dividen en tres, como son: las pruebas de rutina, pruebas de tipo y pruebas especiales. Se dio a conocer el análisis de las potencias de las maquinas síncronas tanto de polos lizos como de polos salientes. Y por último, el estudio de la eficiencia y regulación de estas máquinas.

Palabras claves: Maquinas síncronas, Norma IEC, Norma IEEE.


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OBJETIVOS OBJETIVO PRINCIPAL OG1: El objetivo principal del presente trabajo es realizar el análisis de las maquinas síncronas. OBJETIVOS ESPECÍFICOS OE1: Analizar el Protocolo de ensayos normados IEC, VDE, NEMA, UL, ANSI. OE2: Análisis de las potencias de las máquinas síncronas de polos lizos y salientes . OE3: Analizar la eficiencia y regulación de las maquinas síncronas.


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II. FUNDAMENTO TEÓRICO MAQUINAS SÍNCRONAS 2.1. CONSTITUCIÓN ELECTROMECÁNICA 2.1.1 ESTATOR PRINCIPAL El paquete estatórico, que por lo general es de polos lisos, es instalado en las nervaduras de su carcaza de acero calandrado. En las ranuras del paquete magnético estatórico se hallan convenientemente distribuido los arrollamientos trifásicos los que serán llevados a la caja de conexiones a través de conductores aislados flexibles clase H. Así mismo todos los materiales aislantes, alambres esmaltados y/o platinas forradas son como mínimo de clase de aislamiento F. Después del proceso de barnizado, las cabezas de bobinas son fortalecidas con resinas con clase de aislamiento F para que posean una mejor resistencia mecánica y puedan resistir las fuertes corrientes y las vibraciones. Los alternadores trifásicos modernos no tienen escobillas, y son alimentados a través de una excitatriz: estator (polos salientes) y rotor (polos lisos). La tensión de salida es mantenida mediante el AVR que constantemente supervisa la tensión del alternador y alimenta al campo de la excitatriz principal con la corriente necesaria para generar la tensión nominal. a. Ventajas del sistema: Menor costo de mantenimiento. No hay interferencias por contacto. Menor interferencia debido al AVR transistorizada y tiristorizada. El AVR es de menor corriente.  



b. Desventajas del sistema: El generador síncrono es más caro (costo de adquisición). El tiempo de respuesta es mayor debido a la excitatriz y AVR. Es necesario utilizar un PMG.   

2.1.2 ROTOR PRINCIPAL Es la parte móvil de la máquina donde se ubican los arrollamientos del bobinado de campo (inductor), es de polos salientes y lisos (según sea el tipo de generador); por lo tanto está conformado por zapatas cuyos paquetes magnéticos están formados por hierro silicoso con alto contenido de silicio (entre 4 a 6 % de silicio). Este bobinado es alimentado con corriente continua que procede de la excitatriz, los mismos que reciben una tensión bifásica ó trifásica del estator a través del AVR. El conjunto de barras de cada polo serán unidas con las barras del polo inmediato formándose en su totalidad una jaula de ardilla. Esta jaula forma el circuito de amortiguamiento cuyo trabajo es compensar las cargas transitorias puestas en paralelo y corrientes de cortocircuito. MAQUINAS ELÉCTRICAS III

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Figura. N° 01 Constitución electromecánica de los Generadores síncronos

2.1.3 CIRCUITO DE AMORTIGUAMIENTO Está constituido por un conjunto de barras axiales de cobre, latón ó aluminio, cortocircuitadas en sus extremos por anillos del mismo material; conformando de esta manera una jaula de ardilla fraccionada. El objetivo de este circuito es compensar las sobre corrientes transitorias que las cargas puedan presentar, proporcionándole muy buena estabilidad al generador. La finalidad de este circuito es reducir las oscilaciones de la máquina síncrona, provocadas por las cargas externas, asincronismos graves en la conexión en paralelo y variaciones bruscas de carga. Siempre que se tenga un movimiento relativo entre el rotor y el campo magnético inducido (debido a las cargas transitorias) aparecerán tensiones inducidas en los arrollamientos del campo pudiendo dañar los diodos girantes. En el circuito amortiguador también surgirá una corriente inducida produciendo un torque cuya actuación favorece a mantener a esta máquina en sincronismo reduciendo sensiblemente las oscilaciones y sobretensiones del rotor. El efecto del circuito amortiguador se hace presente en la disminución de la intensidad de las armónicas cuando la carga de los alternadores son deformantes. 2.1.4 EXCITATRIZ INDUCTIVA Encargada de recibir corriente continua del AVR y entregar AC al puente rectificador giratorio; y está conformado por:

Figura. N° 02 Esquema de un generador síncrono moderno


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a. Estator de la excitatriz La excitatriz principal es un circuito de polos salientes que está alimentada por tensión continua que entrega el AVR en sus terminales de salida; la función de este inductor es crear las líneas de campo magnético estacionario que deben ser cortados por los conductores del rotor de la excitatriz para generar corriente trifásica. Es de polos salientes y está instalada fijamente junto a la carcasa del estator principal de la máquina. En sus polos salientes se ubican los arrollamientos de los bobinados de excitación (inductor), que son conectadas en serie y sus terminales de este circuito son llevados a la caja de conexiones (tablero de bornes) para luego ser conectados al AVR. Todos los materiales conductores aislados y aislantes tienen una clase de aislamiento F. b. Rotor de la excitatriz. El rotor de la excitatriz está instalado sobre el eje del rotor principal. Su paquete magnético es laminado y en sus ranuras se distribuye el bobinado trifásico conectado generalmente en estrella. El punto común de este tipo de conexión (estrella) no es utilizado pues trabaja con la tensión de línea. De los terminales de la conexión estrella salen los cables flexibles para ser conectados al puente rectificador giratorio. De este puente salen dos cables positivo y negativo que alimenta al estator principal del generador síncrono. c. Diodos rectificadores giratorios. Están ubicados en el eje del rotor principal entre el rotor de la excitatriz y el rotor principal del generador. Los diodos rectificadores que conforman el puente de onda completa trifásico poseen disipadores de aluminio. Para facilitar el montaje se utiliza un porta diodos (material aislante) que se fija en el eje de la máquina. 2.1.5 PMG (MAGNETIC PERMANET GENERATOR) REGULADORES AUTOMÁTICOS Están conformados por dos etapas muy importantes que tienen la responsabilidad de entregarnos la tensión (AVR) y frecuencia (RAS) constantes en los bornes del generador. 2.1.6 AVR (regulador automático de tensión) Los AVR trabajan con un margen de tolerancia que están directamente relacionados con las tensiones de referencia y del alternador (tensión de la carga), controlada por un amplificador operacional que trabaja en un régimen de enclavamiento. La alimentación del regulador es obtenida de los bornes del alternador ó por medio de un transformador de acoplamiento de donde proviene la tensión de valor real proporcional a la tensión de la máquina. Contiene un diodo zener que abastece al regulador de un valor de tensión de referencia. La diferencia de la tensión de referencia y la real es aplicada a un amplificador operacional, cuya alimentación influye en el comportamiento del control (estabilidad y precisión) y el tiempo de respuesta del regulador. MAQUINAS ELÉCTRICAS III

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El AVR está constituido por: Dispositivo sensible a los cambios de tensión, circuito regulador inteligente (Amplificador Operacional), puente de tiristores de Graetz redundante, transformador de excitación estrella – delta, interruptor de campo CA ó CC, Tablero moderno IP55 e interfase IHM. a. Las funciones del AVR son: Cumplir con los criterios de respuesta especificados, cumplir con la flexibilidad en la operación, cumplir con la confiabilidad y fiabilidad del sistema, implementación de niveles de redundancia, tener la opción de trabajar con telemetría, estar totalmente integrado al SEP, tener una respuesta rápida para hacer frente a las contingencias del sistema. b. Además provee funciones de control y protección de: Tensión Flujo de la potencia reactiva. Mejorar la estabilidad del sistema. Asegurar los límites permisibles de las máquinas síncronas.    

2.1.7 RAS (regulador automático de velocidad) Los RAS son los responsables de entregarnos en bornes del generador síncrono, una frecuencia cuyo valor debe estar dentro de lo establecido por las normas vigentes. Está constituido por: Dispositivo sensible a la velocidad, relé de velocidad o válvula piloto, y servomotor hidráulico. El RAS realiza las siguientes funciones: Regula la velocidad mecánica del motor primo. Regula la potencia activa que produce el generador síncrono. Controla la posición del ángulo de ataque del chorro de agua. Controla los relés de: Potencia, posición y velocidad. Supervisión y monitoreo de fallas con otros sub-sistemas Controla la referencia de velocidad y potencia. Controla la generación del registro de señales y eventos. Controla el rampeamiento y toma de carga.        

Figura N° Esquema general de un Sistema Eléctrico de Potencia

Figura. N° 03 Esquema general de un Sistema Eléctrico de Potencia


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2.2. CLASIFICACIÓN 2.2.1.Según el tipo de excitación se pueden clasificar en dos grandes grupos: a.

Pequeña potenc ia (< 20 KW)

Tienen el devanado de excitación en el estator (polos salientes) el mismo que trabaja con DC. El devanado trifásico se ubica en el rotor (polos lizos) trabaja con AC. La energía alterna es conectada hacia la carga mediante un juego de anillos rozantes y un juego de escobillas (este modelo presenta múltiples problemas y desventajas).

b. Gran potencia (> 20 KW) Tiene el devanado de excitación en el rotor (polos salientes), el cual trabajan con DC. El devanado trifásico se ubica en el estator (polos lizos) el cual trabaja con AC. La energía alterna es conectada en forma directa a la carga, esto constituye una gran ventaja frente al primer tipo. 2.2.2.Según la velocidad de los rotores se pueden clasificar en:

a. Rápidos:

En turbinas de gas ó vapor que desarrollan velocidades de 2 y 4 polos (velocidades de 1800 y 3600 RPM).

b. Lentos:

Turbinas hidráulicas 60 a 720 RPM. Y motores diesel y combustión interna 720 < RPM > 200. 2.2.3.Según el tipo de rotor se pueden clasificar en: a. Rotor cilíndrico: Se usa en máquinas de alta velocidad (2 a 4 polos). Para lo cual se utilizan turbinas de gas o vapor. (Centrales térmicas).

Figura. N° 04 Tipo de rotores utilizados en máquinas síncronas.

b. Rotor de polos salientes: Se usa en máquinas de baja velocidad (gran número de polos). Para lo cual se utilizan turbinas hidráulicas (centrales hidroeléctricas). MAQUINAS ELÉCTRICAS III

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2.3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO La tensión inducida en la bobina giratoria se puede extraer y alimentar una carga monofásica. El campo magnético podría estar siendo generado por bobinas en el estator o en el rotor. Si el campo magnético da una revolución por segundo, estaría induciendo en la bobina una corriente alterna de 1 ciclo por segundo. Para que genere una tensión de 60 ciclos por segundo el rotor debería rotar a 3600 revoluciones por minuto. A esta velocidad se le denomina velocidad síncrona. 







Figura. N° 05 Pasos para generar corriente alterna .monofásica



Si el campo tiene cuatro polos N S N S, entonces en cada revolución habrá completado dos ciclos, si su velocidad es de 1 vuelta por segundo, la tensión generada será de 2 hertz. En este caso, para generar una frecuencia de 60 hertz, la velocidad síncrona de este generador será de 1800 revoluciones por minuto.

Figura. N° 06 Generación de corriente


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



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Si el generador tiene 12 polos en cada revolución habrá producido 6 ciclos. Para producir 60 hertz requerirá girar a 10 revoluciones por segundo o 600 RPM. Para este generador, su velocidad síncrona será de 600 RPM. Las altas velocidades son propias para maquinas propulsadas por turbinas a gas o a vapor y las velocidades síncronas bajas son propias de máquinas lentas tipo grupos diesel. En el caso de un generador trifásico se usan tres bobinas igualmente separadas y cada bobina genera una tensión sinusoidal desfasada 120 grados una de la otra. La frecuencia de la tensión inducida en el estator, depende de la velocidad en forma directa; quiere decir que a mayor velocidad del rotor, mayor es la frecuencia de la tensión generada.

2.4. PROTOCOLO DE ENSAYOS NORMADOS Para las pruebas en máquinas síncronas, así con en los motores asíncronos se tiene que respetar varias normas internacionales dadas por IEC, NEMA, ANSI, etc. Dentro de las pruebas las tenemos divididas en 3, que son: pruebas de rutina, pruebas de tipo y las pruebas especiales. 2.4.1. Pruebas de rutinas para maquinas síncronas Las pruebas de rutina se realizaran en todos las maquinas producidas por cada fabricante y son de mucha importancia hacerlos para asegurar que todas las partes que constituyen a estas máquinas estén en buen estado para su correcto funcionamiento, en estas pruebas tenemos las siguientes: 1. Pruebas de inspección visual:  Verificar los datos de placas con sus respectivas especificaciones 

Inspeccionar el anclaje, la alineación y la puesta a tierra.



Los cojinetes deberán estar en buen estado con grasa de la calidad aceptable.



Asegurar el buen estado de los ventiladores de refrigeración.



Inspeccionar las conexiones eléctricas atornilladas para alta resistencia.



Verificar que el detector de temperatura de resistencia (RTD) circuitos se ajustan a los planos.


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2. Medida de la resistencia de aislamiento Para verificar el buen estado de los aislamientos de los terminales, bobinas y otras partes conductoras de la maquina se realiza esta prueba de aislamiento. Para esta prueba se utiliza un instrumento de medición llamado Megger, donde se aplican tensiones elevadas en corriente continua a las partes conductoras para verificar las resistencia de aislamiento, repitiendo las medidas más de una vez para asegurar un correcto ensayo. La prueba de voltaje deberá ser aplicada por un minuto (Referencia: ANSI/IEEE Stds 43, Sec 5.4 y 12.2)

TENSIONES DC PARA PRUEBA DE RESISTENCIA DE AISLAMIENTO Tensión nominal del devanado (V)*

Prueba de tensión directa de resistencia de aislamiento (V)

<1000 1000 – 2500 2501 – 5000 5001 – 12 000 >12 000

500 500 – 1000 1000 – 2500 2500 – 5000 5000 – 10 000

*Tensión de línea para maquinas trifásicas en AC (Referencia IEEE Stds 43, Tabla 1 )

3. Medida de la resistencia de los devanados Partiendo de la norma IEC 60034 4 para la medición de la resistencia de los devanados, para asegurar a que no haiga conductores con dimensiones incorrectas, asimetrías en los devanados o conexiones defectuosas. En esta prueba se utilizará un micro – óhmetro y una fuente de corriente constante, donde se hará fluir corriente a través de los devanados a medir: –

Figura. N° 07


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b.

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Pruebas en los cables de conexión De acuerdo a la norma VDE 0472 para asegurar el buen estado de los cables se hacen pruebas en seco de tensión y continuo a 3000 V. Medición para verificar la vibración La norma IEC 60034 14 nos da a tener en cuenta la vibraciones que ocurren en la maquinas síncronas que se dan por muchos motivos, tales como devanados defectuosos y asimétricos, desequilibrio del rotor o arrastre magnético desigual entre el estator y el rotor. –

4. Pruebas de tipo para maquinas síncronas Los ensayos de tipo son normalmente realizados de forma aleatoria o bajo solicitud del cliente. a. Curva de vacío Siguiendo la norma IEC 60034 - 4 se harán pruebas para conseguir la curva de vacío o sin carga donde se le conectara a la maquina síncrona con un motor de corriente continua calibrada. Sólo los transformadores de potencia se conectan a las terminales del estator. La corriente de excitación y la tensión son, en caso de una máquina sin escobillas, la medición se realiza sobre unos anillos rozantes, que se montan en el eje para las pruebas solamente. La corriente de excitación de la máquina sin escobillas se suministra de su propia excitación.

Figura. N° 08 Montaje para la p rueba para obtener la curva de vacío.

La curva de vacío se representa con base en los resultados de las pruebas, la remanencia magnética hace que la curva de intersección del eje vertical pase un poco por encima del punto cero de la tensión. Las normas de ensayo actual estado que la curva de vacío debe comenzar en cero voltaje correspondiente 13 | 2016-B MAQUINAS ELÉCTRICAS III


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con cero corriente de excitación. Así llegamos a obtener la siguiente curva:

Figura. N° 09 Curva de vacío.

b.

La tangente a la curva sin carga a cero de tensión es la línea de entrehierro. La línea de entrehierro muestra las características de la máquina sin saturación magnética. La medida sin carga se desvía de la línea de entrehierro debido a la saturación. Curva de cortocircuito Al igual que la curva de vacío en la curva de cortocircuito se sigue la norma IEEE 60034 4, donde se sigue el mismo procedimiento acoplando a la maquina síncrona a un motor de CC calibrado, desconectando el regulador de voltaje de la máquina. El circuito para la prueba de corto circuito, los terminales del estator están en cortocircuito sobre corriente transformadores y amperímetros. La corriente de excitación de una máquina sin escobillas se suple de su propia excitación. El corriente de excitación y la tensión se miden con anillos rozantes especiales, que se montan en el eje de las pruebas solamente. –

Figura. N° 10 Montaje para la obtención d e la curva de corto circuito.


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La curva de corto circuito se traza para la máquina, debido a la saturación baja, la curva es una línea recta.

Figura. N° 11 curva de vacío.

c.

Pérdidas y eficiencia en las maquinas síncronas De acuerdo con la norma IEC 60034 2 se tiene en cuenta las perdidas y eficiencia. Con el método de perdida de segregación se puede hallar la eficiencia de la maquina síncrona. –

Para la eficiencia en máquinas síncronas tenemos:

   100 =   En esta ecuación la potencia de entrada y pérdidas están en las mismas unidades. Las pérdidas que serán incluidas y como evaluarlas se especifican en la serie estándar de aplicación ANSI C50 y NEMA MG 1 -1978. d.

Pruebas especiales para maquinas síncronas Las pruebas especiales solo se llevaran a cabo a petición del cliente. 1. Prueba súbita de cortocircuito Esta prueba se lleva acabo según la norma IEC 60034 4, NEMA/IEEE 115, tiene como objetivo asegurar que la construcción mecánica de la maquina sea lo suficientemente fuerte para soportar tensiones causadas por cortocircuitos u otras perturbaciones. 15 | 2016-B MAQUINAS ELÉCTRICAS III

–


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2.5. ANÁLISIS DE LAS POTENCIAS DE LAS MAQUINAS SÍNCRONAS DE POLOS LISOS Para realizar el estudio de las máquinas síncronas de polos salientes es necesario contar con un circuito equivalente

Ecuación de voltaje del circuito:

⃗ = ⃗ +( +) Donde: Voltaje Interno.  Resistencia de Armadura.  Reactancia Síncrona. Voltaje en Terminales. Corriente.

⃗ = =  = ⃗ = =



La referencia es el voltaje de terminales:

⃗ =∠0 ⃗ =∠ MAQUINAS ELÉCTRICAS III

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La impedancia de la maquina:

 =  + =∠ 

La magnitud del voltaje interno es proporcional a la corriente de campo:

 =  √ 2  AHORA ANALIZADO SU POTENCIA

 = ⃗.∗ DONDE:

⃗ = ∠∠0°  = ⃗    ∗ −−

ENTONCES:

       =  cos()   cos+  sin()   sin

DONDE:

    =  cos()  cos     =  sin()  sin Si

 se desprecia:

=  =90°

Donde:

 =  sin  =  (cos) MAQUINAS ELÉCTRICAS III

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2.6. ANÁLISIS DE LAS POTENCIAS DE LAS MAQUINAS SÍNCRONAS DE POLOS SALIENTES Para realizar el estudio de las máquinas síncronas de polos salientes, su potencias lo determinamos de la siguientes expresiones:

En una máquina de polos salientes se obtiene que la potencia activa P viene dada por esta relación:

 1 1 3   3    =  sin+ 2    sin(2) Lo que significa que el par M es asi:

 1 1  3   3    = Ω =  Ω sin+ 2 Ω    sin(2) Comparando el par de una máquina de polos salientes (10) con el de la de rotor cilíndrico (8) se deduce que: 

La máquina cilíndrica equivale a una máquina de polos salientes donde las reactancias síncronas longitudinal  y transversal  son iguales    .

( =  (=  ))







En la máquina de polos salientes aparece un par adicional denominado par de reluctancia, que es función de .

sin(2)



Este par no depende de  (ni, por consiguiente, de la corriente de excitación  ). Por lo tanto, existe aunque el inductor esté desconectado y es debido a la menor reluctancia magnética que presenta el rotor en los polos salientes




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comparada con la de las zonas entre los polos (obsérvese en la relación (10) que este par es debido a la diferencia que existe entre las reactancias  (en la dirección de los polos) y  (en la dirección de las zonas interpolares)). Esto provoca que el rotor tienda a orientar sus polos salientes en la dirección que en cada momento tenga el campo magnético para intentar que el flujo magnético sea el máximo posible, originando así un par sobre el rotor.





La potencia reactiva Q de una máquina síncrona de polos salientes viene dada por:

  3   3   3    =  cos        El primer término a la derecha del signo = en la fórmula es la potencia reactiva total generada internamente en la máquina, el segundo término es la potencia reactiva que la máquina consume en el eje longitudinal (eje d) y el tercer término es la potencia reactiva que la máquina consume en el eje transversal (eje q) para su funcionamiento. La diferencia entre el primero y los dos términos restantes es la potencia reactiva que la máquina síncrona suministra al exterior. 2.7. EFICIENCIA EN MAQUINAS SÍNCRONAS La eficiencia de cualquier máquina de transformación de energía está dada por el cociente la potencia de salida entre la potencia de entrada, donde sí se conocen las pérdidas durante la transformación de energía se tiene que la eficiencia esta expresada por:

Introduciendo las pérdidas se obtiene que:

2.7.1.

Pérdidas presentes en las máquinas 1. Pérdidas óhmicas Las pérdidas óhmicas se encuentran en todos los devanados de una máquina. Por convención, estas pérdidas se calculan sobre la base de las resistencias de cd del devanado a 75° C. En realidad, la perdida


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óhmica depende de la resistencia efectiva del devanado bajo la

frecuencia de operación y condiciones de flujo. El incremento en la pérdida representado por la diferencia entre las resistencias de cd y efectiva se incluye con las pérdidas por carga dispersa. En los devanados de campo de las máquinas síncronas y de cd, sólo se atribuyen a la máquina las pérdidas en el devanado de campo; las pérdidas en las fuentes externas que alimentan la excitación se le achacan a la planta de la cual la máquina es una parte. Íntimamente asociada con las pérdidas óhmicas está la pérdida por contacto de las escobillas en los anillo colectores y conmutadores. 2. Pérdidas mecánicas Las pérdidas mecánicas consisten en la fricción en las escobillas y los cojinetes, así como en la potencia requerida para hacer circular el aire a través de la máquina y el sistema de ventilación, si se cuenta con uno, ya sean ventiladores auto contenido o externos. Las pérdidas por la fricción y el efecto del viento se miden mediante la determinación de la entrada a la máquina mientras funciona a la velocidad apropiada, pero en vacío y no excitada. Con frecuencia se agrupan con las pérdidas en el núcleo y se determinan al mismo tiempo. 3. Pérdidas en el núcleo de circuito abierto o en vacío Pérdidas en el núcleo de circuito abierto consisten en las pérdidas por histéresis y las corrientes de Eddy que proviene del cambio en las densidades de flujo en el hierro de la máquina que se tiene únicamente energizado el devanado de excitación principal. En las máquinas de DC y síncronas estas pérdidas se confinan en gran parte al hierro de la armadura, aun cuando las variaciones del flujo que provienen de las aberturas de las ranuras también causarán pérdidas en el hierro del campo, en particular en las zapatas de los polos o en las superficies de ese hierro de campo. En las máquinas de inducción las pérdidas se limitan a gran parte en el hierro del estator. Las pérdidas en el núcleo en circuito abierto se pueden hallar al medir la entrada a la máquina cuando está operando en vacío a la velocidad o frecuencia nominales, y con las condiciones apropiadas de flujo o de voltaje. Existentes diferentes métodos para calcular la eficiencia de una máquina, los cuales se enumeraran a continuación. Método A: Entrada-Salida 





Método B: Entrada-Salida con segregación de pérdidas y medida indirecta de pérdidas parásitas. Método C: Máquinas duplicadas con segregación de pérdidas y medida indirecta de pérdidas parásitas.


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











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Método E: Medición de la energía eléctrica bajo carga con segregación de pérdidas y medida directa de las pérdidas parasitas. Método E1: Medida de energía eléctrica bajo carga con segregación de pérdidas y con un valor asumido de las pérdidas parasitas. Método F: Circuito equivalente con medición directa de las pérdidas parásitas bajo carga. Método F1: Circuito equivalente con el valor asumido de las pérdidas parásitas. Método C/F: Circuito equivalente calibrado por punto de carga del método C con la medida indirecta de las pérdidas parásitas. Método E/F: Circuito equivalente calibrado por punto de carga del método E con la medida directa de las pérdidas parásitas. Método E1/F1: Circuito equivalente calibrado por punto de carga del método E con el valor asumido de las pérdidas parásitas.

Para máquinas sincrónicas según la norma IEEE 115-1195 los métodos para el cálculo de la eficiencia serán los métodos A y B 2.7.2.

Método A: Entrada-Salida Para este método, la eficiencia se calcula como el cociente entre la energía medida de la salida y la energía de entrada medida. El procedimiento a seguir es el siguiente: La máquina se carga por medio de un freno o de un dinamómetro para conocer la potencia mecánica de salida por medio de la velocidad y el par, luego las lecturas de la corriente, del voltaje, de la frecuencia, serán obtenidas en la entrada en la bobina del estator para diferentes puntos de carga utilizando medidores digitales de corriente y voltaje para conocer la potencia de entrada de la máquina. Más claramente se observa la siguiente ilustración donde se muestran las variables que deben ser calculadas:

Figura. N° 13


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Una vez encontrada la potencia eléctrica y la potencia mecánica se procede a calcular la eficiencia a partir de la siguiente formula. a. Para el motor:

b. Para el generador

2.7.3.

Método B: Entrada-Salida con segregación de pérdidas y medida indirecta de pérdidas parásitas. Este método consiste en varios pasos. Todos los datos se toman con la máquina funcionando como motor o como generador, dependiendo de la región de operación para la cual se requieren los datos de la eficiencia. La pérdida total evidente (entrada menos salida) se distribuye en varios de sus componentes (pérdida del estator y del rotor, pérdida del núcleo, y pérdida por fricción). Utilizando el modelo de circuito equivalente y diagrama de potencias. Para reducir al mínimo las diferencia en los valores de las pérdidas totales y encontrar un verdadero valor de la eficiencia es necesario que los instrumentos de medición estén bien calibrados y los ejes bien alineados para reducir las pérdidas por fricción y en este método particularmente. Para la máquina de inducción se debe realizar pruebas de rotor bloqueado y de vacío para encontrar su circuito equivalente, análogamente para la máquina sincrónica se realizarán pruebas de corto circuito y de circuito abierto trabajando como generador para conocer su circuito equivalente. Luego de conocidas las pérdidas presentes en la máquina, así como la potencia eléctrica de entrada o salida según sea el caso se calcula la eficiencia. a. Para el generador:

b. Para el motor


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ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELÉCTRICA 2.7.4.

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Eficiencia motor sincrónico Para el cálculo de la eficiencia en el motor síncrono debe tenerse en cuenta el método de arranque del motor síncrono; una posibilidad es arrancarlo por medio del motor de inducción llevando a velocidad cercana al sincronismo y luego excitarlo al mismo tiempo que se desacopla el motor de inducción, la otra posibilidad presente en el arranque es que este motor en particular posee una jaula de ardilla interna, por lo tanto el procedimiento a seguir es cortocircuitar el devanado de excitación y arrancarlo como si fuese un motor de inducción. Luego de arrancado le deberá aplicar carga mecánica con el electrodinamómetro para conocer su velocidad y torque, conociendo así su salida de potencia mecánica, en el punto denotado con la letra F en la anterior figura. Luego por medio de instrumentos de medición digitales se conocerán las características eléctricas de entrada del motor lo cual permitirá conocer la potencia de entrada del motor, en el diagrama se denota el punto con la letra E.

Figura. N° 14

2.7.5.

Eficiencia generador sincrónico En este caso específico se debe tener cuidado en que los sentidos de giro de las dos máquinas coincidan ya que a la hora de excitar a la máquina síncrona se pueden crear campos opuestos y con esto las máquinas pueden colapsar. El procedimiento a seguir será utilizar la máquina de corriente directa como primotor trabajando a condiciones nominales, aportando potencia mecánica al generador síncrono, luego se debe alimentar el devanado de excitación de la máquina síncrona antes de hacer posibles los cálculos. Es importante recordar que este generador en particular puede aportar potencia reactiva al sistema o carga, lo cual permitirá conectar diferentes tipos de carga al generador que se analizarán más adelante. En este caso de denotan las letras H para el punto de cálculo de la potencia eléctrica e I para el punto de cálculo de la potencia mecánica en el electrodinamómetro. 23 | 2016-B MAQUINAS ELÉCTRICAS III


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Figura. N° 15

2.8. REGULACIÓN EN MAQUINAS SÍNCRONAS 2.8.1. Regulación de tensión Se define como el aumento de tensión p.u en terminales de la máquina, cuando se desconecta la carga y se mantiene constante  y la velocidad síncrona.



= −  .

O bien

=   100% 

La regulación de tensión aumenta con el incremento de  y con la disminución del factor de potencia en atraso. Para cargas capacitivas, la regulación puede ser negativa. La siguiente grafica nos muestra la variación de la regulación en una maquina síncrona como una función del factor de potencia para condición de  y el diagrama fasor en una condición de carga inductiva, despreciando el valor de  .

 =




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Figura. N° 16 Variación de la regulación en una maquina síncrona

2.8.2.

Características de regulación Esta característica es a tensión constante y representa la relación entre la corriente de excitación y la corriente de carga, manteniendo constante la tensión, la frecuencia y el factor de potencia de la carga.

Figura. N° 17

De las curvas podemos deducir que para cargas inductivas, ante aumentos de la corriente de carga, la corriente de excitación deberá aumentar de forma considerable para mantener la tensión constante. Estos incrementos en la corriente de excitación serán tanto mayor cuanto menor sea el de la carga.

∅


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En caso de cargas capacitivas, el efecto magnetizante del flujo de reacción de inducido obliga a disminuir la excitación con la carga para mantener constante la tensión en bornes de la carga. 2.8.3.

Método de la AIEE o Método ASA para la regulación de tensión Es un método analítico de cálculo que considera la saturación del Fe, por lo que sus resultados son bastante precisos. El procedimiento a seguir es el siguiente: Con la curva de vacío y dos valores de la característica de factor de potencia cero en atraso, se determina el A continuación se determina la f.e.m de entrehierro, que está dada por:

∆   ⇒ .  =  +( +)

Figura. N° 18 Diagrama fasorial para carga.







Se determina la corriente de campo corriente de carga  .

( )

(ℎ) correspondiente a la

Se determina la corriente de campo correspondiente a línea de entrehierro  .

 Se proyecta el valor  hasta quedar a

ϕ grados

 en la

del eje de

corriente de campo. 



 el valor de  y luego la . Uniendo el origen con este fasor suma, se tiene  , que se Se suma a este

traslada el eje de tensiones, de modo que se encuentra un valor tal, que existe una diferencia entre la recta de entrehierro y la MAQUINAS ELÉCTRICAS III

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curva de vacío de la maquina síncrona a este valor se le denomina  y corresponde a un valor de corriente de campo en saturación.  () (..ℎ) , para la tensión 

















 = [

 ]



( )

Para encontrar la corriente de campo   que corresponde a la corriente de carga  , a la tensión nominal  , para un factor de potencia fijo, se dibuja  horizontalmente.



Se copia el valor de





 en forma horizontal.

ℎ. Al vector suma de los anteriores, se suma directamente  . El resultado de ellos es  . Llevado  al eje de corriente de campo, se levanta una A ϕ grados de la vertical, se le suma la componente

perpendicular que al cortar la curva de vacío de la máquina,



permite encontrar

.

Figura. N° 19. Curva característica de vacío y cortocircuito para la determinación.

Se puede notar en esta construcción, que las únicas variables son el ángulo y la corriente  que precisamente representa el efecto de saturación.






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III. APLICACIONES INDUSTRIALES 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. Según la norma IEC 60034-3: Requisitos específicos para generadores síncronos accionados por turbinas de vapor o turbinas de gas de combustión. Se aplica a los generadores síncronos trifásicos, después de haber evaluado los resultados de 10 MVA y sobre impulsados por turbinas de vapor o turbinas de gas de combustión. Proporciona requisitos comunes, así como los requisitos específicos para el aire, hidrógeno o líquido enfriados en generadores síncronos y complementa los requisitos básicos que figuran en la norma IEC 60034-1. Dependiendo de la aplicación los generadores síncronos tienen características constructivas bastante diferentes: 

En el caso de generadores de centrales hidroeléctricas se utilizan máquinas de

eje vertical, con un rotor de polos salientes corto pero de gran diámetro. Puesto que la velocidad de rotación es bastante lenta (300-350 [RPM]) se requiere de un gran número de polos para efectuar la generación. 

En el caso de centrales térmicas o de ciclo combinado se emplean máquinas de

eje vertical con un rotor cilíndrico largo pero de poco diámetro. Estas características constructivas permiten que el eje del generador rote a altas velocidades, ya sea 1.500 o 3.000 [RPM] dependiendo del número de polos (usualmente dos). 3.1. Principales aplicaciones 1. Turbo Alternadores El turbo alternador es la unión de una turbina y un alternador.

Figura. N° 20 Turbo alternador.


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2. Grupo electrógeno Una de las aplicaciones importantes que tienen los generadores es en los grupos electrógenos, ya que tienen parte eléctrica y mecánica, con generador y motor.

Figura. N° 21 Grupo Electrógeno

3. Compensadores síncronos: Un compensador síncrono, también llamado condensador síncrono, es una maquina síncrona cuyo eje no está unido a ninguna carga. La corriente en su devanado de campo se controla a través de un regulador de tensión, de forma que la máquina genera o consume potencia reactiva según lo requiera el sistema al que está conectado.

Figura. N° 22 Compensadores síncronos.


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IV. CONCLUSIONES C1: Se logró realizar el objetivo principal que es analizar las maquinas síncronas, conociendo su constitución electromecánica, su principio de funcionamiento, eficiencia y regulación. C2: Los protocolos de pruebas se realizan para saber en qué parámetros se encuentra la máquina, se realiza con una máquina nueva, y se realiza cada cierto periodo para verificar que el equipo se encuentre en buen estado. En caso no esté en buen estado pasa a las correcciones correspondientes según muestre sus pruebas realizadas. C3: La norma IEC 60034-8 nos ayudan principalmente a conocer la secuencia de fase cuando la maquina síncrona entra en operación, y esto hace que los equipos que vayan conectados a la maquina funcionen adecuadamente. C4: Podemos observas que las máquinas sincrónicas tienen diferente tipo y campo de aplicación, pero su mayor aplicación es en potencias elevadas, es decir como generadores ya sea a bajas revoluciones en centrales hidroeléctricas, o bien a altas revoluciones en turbinas de vapor o gas. V.

RECOMENDACIONES R1: Antes de realizar cualquier ensayo a este tipo de máquinas se debe revisar el protocolo a seguir para cada tipo, para así poder evitar cualquier falla o mal funcionamiento de la maquina síncrona. Se debe conocer el adecuado uso de los equipos que nos ayudan a realizar dichos ensayos ya antes mencionados, así mismo debemos conocer el procedimiento a seguir. R2: Para realizar pruebas en las máquinas debemos informarnos de los parámetros de categorización de las máquinas, para saber entre que valores es lo adecuado según el fabricante.


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VI. BIBLIOGRAFÍA [1]. PRUEBAS EN MÁQUINAS SINCRÓNICAS CONFORME LA NORMATIVA IEC 34 Y LA IEEE STD. 115 - Rafael Takeshi Minero Akiya (Universidad de Costa Rica). [2]. RAFAEL TAKESHI MINERO AKIYA/ PRUEBAS EN MÁQUINAS SINCRÓNICAS CONFORME A LA NORMATIVA IEC 34 Y LA IEEE STD. 115/ UNIVERSIDAD DE COSTA RICA /2010 [3]. s-Synchronous motors – WEG technical article. Disponible en: http://ecatalog.weg.net/files/wegnet/WEG-synchronous-motors-technical-articleenglish.PDF [4]. Motion/Position Control motors, Controls, and feedback devices - NEMA ICS 16 Disponible en: http://www.nema.org/Standards/SecureDocuments/ICS16.pdf [5]. STANDARD FOR ACCEPTANCE TESTING SPECIFICATIONS for Electrical Power Equipment and Systems - ANSI/NETA ATS-2009 Disponible en: http://www.iemworldwide.com/pdf/ansi-neta-ats-2009.pdf [6]. PRUEBAS EN MÁQUINAS SINCRÓNICAS CONFORME LA NORMATIVA IEC 34 Y LA IEEE STD. 115 - Rafael Takeshi Minero Akiya (Universidad de Costa Rica). [7]. Universidad de San Carlos de Guatemala, Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Mecánica Eléctrica, guía para la determinación de límites de operación, curva de capacidad, pruebas y mantenimiento predictivo de generadores síncronos Manuel Eduardo Martínez Marroquín, Guatemala Octubre 2003 [8]. George J. Thaler & Nilton L. Wilcox (1974), Máquinas Eléctricas Estado dinámico y permanente, Primera Edición, México, Editorial Limusa.


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VII. ANEXO 7.1. ANEXO-2 Protocolo Proyecto Peñas Blancas En la siguiente tabla observamos un protocolo de una prueba realizada a un generador del proyecto Peñas Blancas, podemos observar que esta bajo la norma IEC 60034-4 la cual contempla PRUEBA DE VACIO y PRUEBA DE CORTOCIRCUITO, también se aprecia su relación de cortocircuito –


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Maquinas Sincronas Primera Parte

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