Principio de conversión de energía
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 e l rotor que es la parte móvil. • El rotor se monta en un eje que descansa en dos rodamientos.
Clasificación de las máquinas GENERA!R:
"!#!R: transforma la
#RAN$%!R"A!R:
transforma la energía mecánica en eléctrica. La acción se desarrolla por el movimiento de una bobina en un campo magnético.
energía eléctrica en mecánica. La acción se desarrolla introduciendo una corriente en la máquina por medio de una fuente externa.
transforma una energía eléctrica de entrada !"# con determinada magnitud de tensión $ corriente en otra energía eléctrica de salida !"# de diferentes magnitudes.
&nidades de las magnitudes electromagnéticas 'N#EN$'A E CA"P! "AGN(#'C! )*+,
Amperios-m
'N&CC'.N "AGN(#'CA )/+,
#esla )#+ 0 1b-m 2
%3&4! "AGN(#'C! )5+,
1eber )1b+
%&ER6A "AGNE#!"!#R'6 )%+,
Amperios78uelta
%&ER6A E3EC#R!"!#R'6 'N&C'A )E+,
8oltio )8+
PER"EA/'3'A )9o+,
: 7 ;< => *-m
µ
B =
H
Principio de funcionamiento ) * )ntensidad de corriente + * )nducción magnética
La regla de la mano derec%a es una regla nemotécnica auxilia a la memoria# para orientar en el espacio un producto vectorial& o un sentido de giro. 'os dice que si estiramos la mano derec%a con el pulgar %acia arriba& $ el resto de dedos en forma de pu(o& el dedo índice nos indicará la dirección $ 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
/ '
v
Generador de CA
Principio de funcionamiento Generador CA
Principio de funcionamiento Generador CA
-EM .i#u.oi'a( i#'uci'a 'e .a(i'a
E#erg$a %ec&#ica 'e e#tra'a a( ge#era'or )ue %ue*e (a +o+i#a 'e ca%,o
-EM i#'uci'a ,ro,orcio#a( a (a *e(oci'a' 'e corte 'e (a. ($#ea. 'e ca%,o %ag#/tico E0e%,(o 'e
Principio de funcionamiento %E" inducida en máquinas de CA e 6 E % .e# 7 t
7%
Po(o.
N
S
Po(o. i#'uctore. E.co+i((a
E.,ira
E.co+i((a A#i((o. co(ectore. R 2Re.i.te#cia 3 carga e4ter#a5
A%,er$%etro 8e% ge#era'a
Principio de funcionamiento "otor CA
Ca%,o %ag#/tico ,ro'uci'o ,or +o+i#a.
A#i((o. 'e.(iza#te.
A(i%e#taci9# 'e AC
%uentes de energía de entrada
#urbinas de gas ? vapor
Eólico
%otovoltaico
*idro *idroeléctrico
Aplicaciones
%uentes de energía de entrada, *idroeléctrica
#urbinas *idráulicas
Pelton
Francis
Kaplan
#urbinas *idráulicas
Pelton
Francis
Kaplan
Placa de una turbina @idráulica
#urbina de vapor
Partes constitutivas eléctrica rotatoria
de
la
máquina
Partes constitutivas eléctrica rotatoria
de
E.tator co# 'e*a#a'o. e.tat9rico. "or#era
la
máquina
Ve#ti(a'or 'e re8rigeraci9#
-(u0o 'e( aire 'e re8rigeraci9#
E0e %otor
Co0i#ete
Rotor 'e 0au(a 'e ar'i((a
A(eta. 'e re8rigeraci9#
Campos giratorios #eorema de %erraris • Tre. 2<5 te#.io#e. tri8&.ica. 2@? D5 co# tre. 2<5 'e*a#a'o. 'e8a.a'o. a @?D e(/ctrico.
J.F.A.
21
Campos giratorios #eorema de %erraris R
5 )t#
#
$
T6
76
t
T
7 ,-
,-
/0,-
12,-
34,-
56 • • • •
Tre. 2<5 gru,o. 'e +o+i#a. RRF SS 1 TT RF SF T corrie#te. .a(ie#te. 'e( ,(a#o 'e (a (&%i#a RF SF T corrie#te. e#tra#te. Lo. 'e*a#a'o. ((e*a# corrie#te. 'e8a.a'a. @?G e# e( tie%,o 1 )ue (o. 'e*a#a'o. e.t&# 'e8a.a'o. @?G e(/ctrico. e# e( e.,acio
Campos giratorios #eorema de %erraris
• • • •
La o#'a 'e -MM 2"5 re.u(ta#te e# e( e#tre:ierro .er& igua( a (a .u%a 'e (a. tre. 2<5 o#'a. ,u(.atoria. 2" @F "F "<5 La -MM e# e( e#tre:ierro .er&; -MM 6
Campos giratorios #eorema de %erraris • N. 1 Nr e. (a *e(oci'a' igua( a (a *e(oci'a' 'e giro 'e (a -MM e# e( e#tre:ierro )ue .e 'e#o%i#a *e(oci'a' .i#cro#i.%o
Ve(oci'a' 'e( ca%,o %ag#/tico 'e( e.tator
Ve(oci'a' 'e( rotor
f
p n =
60
8elocidad de
$'NCR!N'$"!
E.tator
Rotor
Campos giratorios #eorema de %erraris •
E( rotor 'e( ge#era'or e. accio#a'o ,or u# %otor ,ri%ario
•
U#a corrie#te co#ti#ua )ue 8(u1e e# e( 'e*a#a'o 'e( rotorF ,ro'uce u# ca%,o %ag#/tico )ue rota 'e#tro 'e (a %&)ui#a
•
E( ca%,o %ag#/tico rotatorio i#'uce u#a te#.i9# tri8&.ica e# e( e.tator 'e( ge#era'or
La 8recue#cia e(/ctrica 'e (a re' e.t& .i#cro#iza'a co# (a *e(oci'a' %ec&#ica 'e rotaci9# 'e( ge#era'or .$#cro#oF a tra*/. 'e (a e4,re.i9#;
f
p n =
60
E# '9#'e; 8 6 e. (a 8recue#cia e(/ctricaF z , 6 e. e( #J%ero 'e ,are. 'e ,o(o. 'e( ge#era'or # 6 e. (a *e(oci'a' 'e( rotorF r,%
8elocidad de las máquinas eléctricas síncronas n
60 f =
p
n- de polos
rpm 9, ;
rpm 4, ;
n- de polos
rpm 9, ;
rpm 4, ;
1
3,,,
34,,
/4
329
<9,
<
/9,,
/0,,
/0
333
<,,
4
/,,,
/1,,
1,
3,,
34,
0
29,
,,
11
121
312
/,
4,,
21,
1<
19,
3,,
/1
9,,
4,,
14
13/
122
/<
<10
9<,
10
1/<
192
&so de máquinas eléctricas síncronas •
Los generadores sincrónicos )síncronos+ o alternadores son utili;ados para convertir energía mecánica derivada del vapor& del gas& o de turbinas %idráulicas# en energía eléctrica !".
•
Los generadores sincrónicos son la fuente principal de energía actualmente en la industria eléctrica.
•
Los motores sincrónicos se constru$en para aplicaciones industriales que exigen gran potencia& velocidad constante $ pueden in$ectar potencia $ energía reactiva capacitiva# condensador síncrono#.
"áquinas 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 básicas del estator rotor
áquinas sincrónicas
Configuraciones básicas del estator rotor
Máquina de polos salientes En aquellas turbinas hidráulicas que giran a baja velocidad (entre 50 y 300 rp)! se requiere de un gran n"ero de polos en el rotor# Entrehierro no uniforme
Sentido de las corrientes por el rotor S
N
N
S
Máquina polos lisos (rotor cilíndrico)
Generador
Turbina
L
D
1m
10 m
Vapor o gas
Devanado del Estator
Estas áquinas son de alta velocidad$ 3#%00 rp para & polos! y! '#00 rp para polos#
N
Entrehierro
Estator
Devanado del Rotor
*os conductores se hidr-geno o con agua#
en+r,an
.eneran sobre los � /1
con Rotor
S
Tipos de máquinas síncronas Estator de Coca Codo Sinclair
Tipos de máquinas síncronas Rotor de Coca Codo Sinclair
Tipos de máquinas síncronas Rotor de Delsitanisagua
Tipos de máquinas síncronas Rotor de Delsitanisagua
!rdidas En el cobre$ debido a la resistencia de los conductores al paso de la corriente el2ctrica#
En el hierro$ p2rdidas por hist2resis y p2rdidas por corrientes de oucault (parásitas)#
Pcu =
n
∑
Ri I
2
i
i =1
P FE = PH + P F
fricción
/ecánicas$ debido al ro4aiento de los cojinetes! a la +ricci-n de las escobillas y a la ventilaci-n (ro4aiento del aire)#
P2rdidas +ijas (no var,an con la carga de la áquina) y p2rdidas variables (var,a con la carga coo la corriente el2ctrica)
ventilación
Pm = A * n + B * n 3
P fijas = PFE + Pm
=?
Pvar iables = P cu
Tipo de asilamientos" Temperaturas má#imas de de$anados Tipo de Aislamiento
Material Aislante
Impregnante o Barniz
Clase A (105°C)
Algodón, seda, rayón. Poliamida, acetato de celulosa. Esmaltes de resinas de poliéster.
Barnices naturales y sintéticos.
Clase B (130°C)
Tejidos fibra de vidrio y amianto. Mica, sola o con soporte de papel. Esmaltes a base de poliuretano y polivinilos. !auc"o etileno # propileno. !intas fibra de vidrio y mica.
Barnices y resinas a base de epó$icos, melamina, poliéster reticulado.
Clase F (155°C)
Tejidos fibra de vidrio barni%ados. Papeles de mica y amianto. !ompuestos a base de poliamida. Esmaltes y barnices a base de poliéster modificado, polietileno, poliuretano, poliamida. &esina epo$i.
Barnices y resinas a base de poliéster, poliuretano, epó$icas.
Clase H (180°C)
Tejidos de fibra de vidrio, amianto, mica, impregnados con silicona. 'ibras de vidrio y cauc"o silicona. Esmaltes de silicona, poliéster poliuretano y poliésterimida.
&esinas de silicona
Clase 200 (200°C)
Materiales a base de mica, vidrio, cer(mica, etc.
Tipo de ser$icio de máquinas el!ctricas Tipo de er!i"io
#ara"ter$sti"as %perati!as de la M&'uina El("tri"a
Ser$icio S% & Continuo
Funcionamiento con carga constante y de una duración suficiente para que se establezca el equilibrio térmico.
Ser$icio S' & 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.
Ser$icio S & ntermitente peri*dico
Sucesión de ciclos de sericios idénticos, comprendiendo cada uno un periodo de funcionamiento con carga constante y un periodo de reposo. !a intensidad de arranque no influye apreciablemente en el calentamiento.
Ser$icio S+ & ntermitente peri*dico con arranque
Sucesión de ciclos de sericio idénticos, comprendiendo cada uno un periodo de tiempo de arranque, un periodo de funcionamiento con carga constante y un periodo de reposo.
Ser$icio S, & ntermitente peri*dico con frenado el!ctrico
Sucesión de ciclos de sericio idénticos, comprendiendo cada uno un periodo de tiempo de arranque, un periodo de funcionamiento con carga constante, un periodo de frenado eléctrico r"pido y un periodo de reposo.
Tipo de ser$icio de máquinas el!ctricas Tipo de er!i"io
#ara"ter$sti"as %perati!as de la M&'uina El("tri"a
Ser$icio S- & ninterrumpido con carga intermitente
Sucesión de ciclos de sericios idénticos, comprendiendo cada uno un periodo de funcionamiento con carga constante y un periodo de acio. #o e$iste periodo de reposo.
Ser$icio S. & ninterrumpido peri*dico con frenado el!ctrico
Sucesión de ciclos de sericio idénticos, comprendiendo cada uno un periodo de arranque, un periodo de funcionamiento con carga constante y un periodo de frenado eléctrico. #o e$iste periodo de reposo.
Ser$icio S/ & ninterrumpido peri*dico con cambios de carga 0 $elocidad relacionados
Sucesión de ciclos de sericio idénticos, comprendiendo cada uno un periodo de funcionamiento con carga constante correspondiente a una elocidad de giro determinada, seguido de uno o arios periodos de funcionamiento con otras cargas constantes correspondientes a elocidades de giro diferentes. #o e$iste periodo de reposo.
Ser$icio S1 2 Con $ariaciones no peri*dicas de carga 0 de $elocidad
!a carga y la elocidad tienen una ariación no periódica en el margen de funcionamiento admisible. %ste sericio incluye frecuentemente sobrecargas aplicadas que pueden ser ampliamente superiores a la plena carga.
Ser$icio S%3 & Con cargas constantes diferentes
&n m"$imo de cuatro alores diferentes de carga, cada uno de los cuales se mantiene un tiempo suficiente para permitir que la m"quina alcance el equilibrio térmico. !a carga m"$ima de un ciclo de sericio puede tener un alor ' (ac)o o reposo*
Dígitos para indicar el grado de protecci*n %n la norma &#% 2'+2- equialente a norma europea %# '/20 se establece un sistema de especificación general en función del grado de protección que se consigue en cualquier material eléctrico. %l grado de protección se designa con las letras 1 seguidas de tres cifras, de las cuales en las m"quinas eléctricas sólo se utilizan dos.
34 cifra5 indica la protección de las personas frente a contactos ba6o tensión y7o piezas en moimiento en el interior, as) como la protección de la m"quina frente a la penetración de cuerpos sólidos e$tra8os. 24
cifra5 indica la protección contra la penetración de agua.
4
cifra5 indicar)a la protección contra da8os mec"nicos.
Dígitos para indicar el grado de protecci*n )*+ mero
%ra C4R5
'da C4R5
ra C4R5
rotecci*n contra contactos directos 0 cuerpos e#tra6os
rotecci*n contra la penetraci*n de líquidos
rotecci*n contra los c7oques mecánicos
'
Sin protección
Sin protección
Sin protección
3
rotección contra contactos directos casuales de grandes superficies (e6. la mano*. rotección contra la penetración de cuerpos sólidos e$tra8os de di"metro superior a /' mm
rotección contra la ca)da ertical de gotas de agua
%nerg)a de choque5 ',22/ 9
2
rotección contra contactos directos con los dedos. rotección contra la penetración de cuerpos sólidos e$tra8os de di"metro superior a 32 mm
rotección contra ca)das de gotas de agua inclinadas en cualquier "ngulo hasta 3/ ° con la ertical
rotección contra contactos directos de herramientas, hilos, etc. rotección contra la penetración de cuerpos sólidos e$tra8os de di"metro superior a 2,/ mm
rotección contra el rociado de agua en un "ngulo de hasta ' ° con la ertical
-
rotección contra contactos directos con herramientas, hilos, etc., rotección contra la penetración de cuerpos sólidos e$tra8os de di"metro superior a 3 mm
rotección contra la proyección de agua en todas las direcciones
%nerg)a de choque5 ',/ 9
Dígitos para indicar el grado de protecci*n )*+ mero
%ra C4R5
'da C4R5
ra C4R5
rotecci*n contra contactos directos 0 cuerpos e#tra6os
rotecci*n contra la penetraci*n de líquidos
rotecci*n contra los c7oques mecánicos
/
rotección total contra contactos directos. rotección contra depósitos de polo per6udiciales
rotección contra chorros de agua en todas las direcciones
rotección total contra contactos directos. rotección total contra penetración de polo
rotección contra inundaciones pasa6eras
:
rotección contra los efectos de inmersión
;
rotección contra los efectos de inmersión prolongada
0
%nerg)a de choque5 2 9
%nerg)a de choque5 9
%nerg)a de choque5 2' 9
laca de características el!ctricas
laca de características el!ctricas
laca de características el!ctricas
laca de características el!ctricas
rincipio de funcionamiento Máquinas síncronas
<
<
< <
<
Se basa en la le0 de 4arada0" ara crear tensi*n inducida en el de$anado inducido o de armadura (estator)8 se debe crear un campo magn!tico en el inductor o rotor" El campo magn!tico en el rotor se crea mediante la circulaci*n de una corriente continua ingresada en la máquina a tra$!s de anillos ro9antes 0 escobillas (corriente de e#citaci*n)" El rotor gira por la máquina motri9 acoplada al e:e" El giro del campo magn!tico del rotor inducirá una f"e"m" o tensi*n en el de$anado inducido o de armadura (estator) que al estar conectada una carga8 producirá la circulaci*n de una corriente alterna flu0endo a tra$!s de !l" ;a corriente alterna del estator8 por el Teorema de 4erraris8 crea un campo
rincipio de funcionamiento Máquinas síncronas <
+
+
<
En máquinas peque6as > %3 ?@58 el de$anado inductor esta en el estator"
<
En máquinas grandes que pueden llegar a %"333 & %",33 M@5 la colocaci*n de los de$anados es in$ersa"
<
;a manera en que las partes acti$as de una máquina sincr*nica se enfrían8 determina su tama6o 0 su estructura"
rincipio de funcionamiento Máquinas síncronas
E3
@ @
4otografías máquinas síncronas
4otografías máquinas síncronas
Sistemas de e#citaci*n
istea de e6citaci-n con d,nao e6citatri4
4uncionamiento en $acío a
%l esquema simplificado de la m"quina s)ncrona de polos salientes. ?l girar el rotor a la elocidad n se inducen fem@s en los arrollamientos de las fases del estator que est"n desfasados 32'° que corresponden a la separación espacial.
a=
> c= c
+ b= b
Si se consideran # espiras de cada fase concentradas y que los flu6os concatenados por las mismas ar)a entre los l)mites > Am y B Am, el alor medio de la fem indicada de cada fase ser"5 2 C
% med
=
% med
= −
% med
=
∫
C:2
'
e dt
=
2 C
2 +A m # dA C ∫ Am - f # A m +
C:2
∫ '
( −#
dA dt dt*
4uncionamiento en $acío %l alor eficaz de la fem es igual al alor medio multiplicado por el coeficiente de forma Kf de la onda producida. %l olta6e generado % (fem eficaz* est" dado por la e$presión5
% = 4K f f # A m %n dónde5 Dm E
es el flu6o m"$imo en la m"quina (función de 1e*
fE
es la frecuencia eléctrica
Kf E
es el coeficiente de forma de la onda producida 1e %
4uncionamiento en $acío Ceniendo en cuenta que las espiras est"n distribuidas sobre la periferia del estator, pudiendo e$istir al mismo tiempo acortamientos de cada bobina, la fem se er" afectada por los coeficientes de deanado. %n consecuencia5
%n dónde5
% = - K f K d K a f # A m
Kd E
es el coeficiente de distribución
Ka E
e el coeficiente de acortamiento de los deanados del inducido 1e %
4uncionamiento en $acío ara obtener una fem senoidal en los deanados del estator es necesario la distribución senoidal de la inducción magnética a lo largo de la periferia del rotor. ara conseguir que la distribución de sea senoidal, habr" que aumentar el entrehierro desde el centro del polo hasta uno de sus e$tremos, ya que de esta forma aumenta la reluctancia gradualmente, conduciendo a que se parezca m"s a la forma senoidal.
4uncionamiento en $acío !a forma de onda de la e$presión anterior no es completamente senoidal lo que significa la presencia de armónicos. %n forma general, no se llegar" a la senoide perfecta y por tanto la fem resultante contendr" armónicos. %stos armónicos se reducen por la distribución y acortamiento de bobinas del inducido que le componen. %n m"quinas con rotor cil)ndrico, la obtención de una forma de senoidal se logra por una adecuada distribución del arrollamiento de e$citación a lo largo de la periferia del rotor.
4uncionamiento en $acío *a caracter,stica de +uncionaiento en vacio es la curva E o 7 + (8e) que e6presa la +e en bornes en +unci-n de la corriente e6citaci-n# Deterinaci-n de la curva en +ora e6periental# *a relaci-n entre el voltaje generado y la corriente de e6citaci-n 8 e se conoce coo caracter,stica de saturaci-n del generador$ *,nea del entrehirerro
Eo ,!oltios-
aturaci-n del n"cleo
Ie ,amperios-
Funcionamiento con carga Reacción 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 e! se produce una fmm que reacciona con la del inductor modificando el flujo del entre"ierro de la m#quina. $.%a caída de tensión en el circuito se produce en la resistencia y la inductancia de dispersión del inducido (estator). &.%a reacción del inducido depende de la magnitud y de la fase de la corriente.
Funcionamiento con carga Reacción del inducido
Se debe considerar la reactancia del inducido que se debe al flujo de dispersión del estator que no interacciona con el flujo del rotor. Este flujo de dispersión se desarrolla en las cabezas de las bobinas y dentro de las ranuras donde se sitúa el devanado. Este flujo de dispersión permite definir un coeficiente de autoinducción L ' que da lugar a la reactancia de dispersión del estator ('.
Funcionamiento con carga Reacción del inducido
En esta reactancia ' tiene lugar la ca"da de tensión inductiva de la m#quina s"ncrona$ cuya magnitud a plena carga puede alcanzar valores entre el %&' al %' de la tensión asignada del inducido. El efecto que provoca la fmm del inducido sobre la fmm del inductor$ modificando el flujo del entre)ierro de la m#quina$ se denomina *reacción del inducido* y sobre +l tiene influencia la magnitud y el #ngulo de fase de la corriente del
Funcionamiento con carga Reacción del inducido
,lujo de e-citación inductor (rotor
,lujo del inducido (estator
Funcionamiento con carga Reacción del inducido
,lujo del inducido (estator
,lujo de e-citación inductor (rotor
Funcionamiento con carga Reacción del inducido
,lujo del inducido (estator
,lujo de e-citación inductor (rotor
Funcionamiento con carga Reacción del inducido
/ /
/
Curvas características de un alternador para distintos tipos de cargas 0orriente de e-citación
1oltaje en bornes
0orriente de carga
0orriente de carga
0orriente de corto circuito
$. Corriente de e+citación constante, y &. carga ariale
$. oltaje en la carga constante, y &. carga ariale
Máquina con rotor cilíndrico Impedancia síncrona Se denomina m+todo de 2e)n3Esc)enburg y se aplica a m#quinas con rotor cil"ndrico que trabaja en r+gimen lineal. Este m+todo permite obtener un circuito el+ctrico equivalente de la m#quina s"ncrona. En la m#quina est#n implicados tres flujos! El flujo de dispersión 4' que esta en fase con la corriente del inducido y que da lugar a una ca"da de tensión en la reactancia de dispersión ', produce una ca"da de tensión (adelantada 5&6 con respecto a del inducido E ' / j ' El flujo de excitación 4e producido por la fmm , e y en fase con ella$ que es la causante de la fem producida en vacio E &$ misma que esta retrasada (según Ley de ,araday en 5& 6 respecto al flujo 4 e.
Máquina con rotor cilíndrico Impedancia síncrona El flujo de reacción del inducido 4i (*p*$ producido por la fmm , i$ esta en fase con la corriente del inducido produce una ca"da de tensión E p (retrasada 5&6 con respecto a la corriente del inducido . Ep - j p En la siguiente ,igura$ se consigue sustituir el tri#ngulo rayado de fmm por otro tri#ngulo semejante de fem por la proporcionalidad entre magnitudes consecuencia de considerar un circuito magn+tico lineal. 7ri#ngulos semejantes
0r 0e/ 0i
0e 8 fmm de e-citación
0a"da de tensión Ep por reacción del inducido
Máquina con rotor cilíndrico Circuito equivalente
s ' / p 1s 2 / j s
(reactancia síncrona) (impedancia síncrona)
Eo fem en acío, () oltaje en ornes de m#quina síncrona () 2 resistencia del inducido por fase (o"m) s reactancia síncrona por fase (o"m) ' reactancia de dispersión por fase (o"m) p reactancia de reacción del inducido (o"m) intensidad de corriente (3)
Características de la carga
Eo
98&
V
Eo
9
V
Eo
9
Pruea de vacío 5ruea de acío: 7e pone en marc"a "asta conseguir la elocidad de sincronismo. 7e regula la corriente de e+citación desde 6 "asta e para producir un alor en ornes equialente a n. Este n corresponde a la fem en acío E 6 que es la tensión en los terminales de la m#quina cuando la corriente del inducido es nula. 3l no e+istir corriente de inducido , el motor primario deer# encer 8nicamente las pérdidas mec#nicas y las del "ierro.
I=0
E&
.
=
E6
6 =
-
Pruea de cortocircuito 5ruea de cortocircuito: 7e pone en marc"a "asta conseguir la elocidad de sincronismo. 7e regula la corriente de e+citación desde 6 "asta e para producir un alor de corriente nominal en el inducido (n). El oltaje nominal es igual a cero (n6). 7e regula la corriente de e+citación e "asta alan!ar el $96 de n. El motor primario deer# encer las pérdidas mec#nicas y las del core del inducido (las del "ierro son peque;as en ra!ón de ser el flujo reducido). El alor de la 2 se puede medir con o"metro.
-
=
6
E6
=
1s
=
7
(2
=
j s ) .corto
+
E6 .corto 17 &
−
2&
=
1 s .corto
Pruea de cortocircuito El circuito equivalente al cortocircuito se presenta a continuación (por simplicidad se )a considerado / 8 &. El flujo en el entre)ierro es el que crea la fem resultante E r . Se parte de la I cc en el eje imaginario negativo (35&6$ la fem E & estar# situada en el eje real (&6 y es del orden la tensión nominal. La fmm necesaria para crear E & ser# ,e (adelantada 5&6. La fmm de reacción del inducido , i es totalmente desmagnetizante y se opone a la fmm de e-citación , e.
Pruea de vacío ! cortocircuito 1s var"a debido a saturación de la m#quina. 1s es constante para e-citaciones peque:as y la caracter"stica de vac"o coincide con la recta del entre)ierro$ dando lugar a la 1s no saturada. En la pr#ctica la m#quina trabaja en el codo de la curva de vac"o. 1s para fines pr#cticos se acostumbra tomar el valor saturado
1 s (no saturada) 1 s (saturada)
0orriente de e-citación
=
=
<= e
<= f
Pruea de vacío ! cortocircuito En la pr#ctica la recta de cortocircuito tiende a saturarse para valores de la corriente de cortocircuito del orden de %$; a %$< veces la corriente nominal.
1 s (no saturada) 1 s (saturada)
=
=
<= e
<= f
=artiendo de este valor de impedancia la reactancia s"ncrona ser#!
s
0orriente de e-citación
=
1 &s
−
2&
Máquinas síncrona" #nálisis no lineal > >
>
?plica a m#quinas s"ncronas de rotor cil"ndrico (@+todo de =otier que trabajan en zona de saturación. El @+todo de =otier determina! % la ca"da de tensión en la reactancia de dispersión A B (E ' / j AB )C y$ ; la fmm que produce la reacción del inducido (0i. =ara aplicar el @+todo de =otier es necesario conocer la curva de vac"o Eo en función de la fmm 0e (Ie y adem#s realizar un ensayo con carga inductiva pura.
Máquinas síncrona" #nálisis no lineal > > > > >
Se observa que los fasores $ AB y Er est#n en fase$ al igual que las fmm 0e$ 0r y D 0i$ presentando +sta última el efecto desmagnetizante. =ara obtener en bornes$ la e es igual a , (0eC si @, indica la fmm de reacción del inducido (0iC @ equivale la fmm resultante (0r (0r 0e > 0i o (@ 8 , D @,. La fmm 0r (@ induce la fem resultante Er 8 @0 0onociendo los puntos ? y ?F puede construirse el tri#ngulo ?20.
Máquinas síncrona" #nálisis no lineal > > > > >
La fmm del inductor 0e es opuesta a la del inducido 0i (des magnetización. En la curva reactiva$ para obtener es necesario el equivalente ,. @, representa la fmm de reacción del inducido 0i La 0r (@ induce una fem resultante Er 8 @0 La fem por la reactancia de dispersión es! AB 8 02 8 E '
Máquinas síncrona" #nálisis no lineal >
> >
>
>
?sumiendo constante AB se puede desplazar el tri#ngulo ?20 denominado tri#ngulo de =otier obteniendo ?F2F0F. Ge esta manera ?F puede obtenerse de la prueba con carga reactiva. /ealmente 02 que es la fem de dispersión no da AB sino una nueva reactancia denominada reactancia de Potier que es algo superior a A B$ esto se debe a que la curva de vac"o que e-presa la relación Eo f(0e) no es la misma que la que define la fem resultante Er en función de 0r y que se )an considerado id+nticas. Se e-plica por el aumento del flujo de dispersión del rotor a medida que aumenta la corriente del rotor. La diferencia entre reactancias de dispersión y =otier no es grande en m#quinas de rotor cilindrico y puede considerarse la misma. 0onocidas estas magnitudes podr# construirse el diagrama fasorial para deducir la regulación de la m#quina y la fem E
Máquinas polos salientes" Regulación tensión Características: Entre"ierro ariale. ?ayor entre"ierro en el eje de cuadratura o transersal (región media entre polos o línea interpolar). %a reacción del inducido se descompone en dos: fmm de reacción de eje directo (0d) o longitudinal y fmm de reacción en eje cuadratura o transersal (0q).
Eje d (directo
Eje q (cuadratura
Máquinas polos salientes" Regulación tensión E-isten tres fmm que interaccionan en la m#quina! 0e (de e-citaciónC 0d (reacción inducido eje directoC y$ 0q (reacción inducido eje cuadratura$ que al considerar la teor"a lineal de la m#quina se puede asumir que son flujos independientes que crean a su vez femFs inducidas. E pd - j pd d @
E pq - j pq q @
d / q
E pd 8 fem de reacción del inducido eje directo E pq 8 fem de reacción del inducido eje cuadratura Gebe tenerse en cuenta que la fem de vac"o E6 producida por le inductor actúa en el eje q$ puesto que debe ir retrasada 5&6 respecto a la l"nea de los polos. 0onsiderando la fem producida por la reactancia de dispersión.
Máquinas polos salientes" Regulación tensión E pd
=−
E pq
=−
jX pd I d ;
d y q pueden ser determinadas pr#cticamente mediante prueas de desli!amiento.
jX pq I q ;
I = Id Eo
Epd y Epq fem reacción del inducido de eje directo y eje cuadratura
=
+
Iq
V + RI + jX δ I + jX pd I d
Reemplazando (I = I d Eo
=
V + j(X δ
+
X sd
=
Xδ
+
X pd
X sq
=
Xδ
+
X pq
X sd
=
Xd
X sq
=
Xq
Eo
=
V + jX d I d
+
X pd )I d
jX q I q
+
jX pq I q
+
Iq ) j(X δ
+
+
X pq )I q
%as ariales conocidas son , y el desfase A. %os componen d e q de la corriente del inducido dependen del #ngulo B.
Máquinas polos salientes" Regulación tensión Eo
=
V + jX d I d
Eo
=
V + jX q I + j(X d
ψ
=
jX q (I − I d )
+
−
X q )I d
;
Eo
=
!d
δ +ϕ
En el triànglo bcd bd
=
(X d
−
X q )I * senψ
=
(X d
−
X q )I d
bc # (Xd $ X $ Xq)I
* I X X q j " V j Xq I
ψ
ab # Xq I
ac # Xd I
Máquina síncrona" Regulación del voltaje Hna forma pr#ctica de comparar el comportamiento de la tensión generada por dos m#quinas sincrónicas$ es a trav+s de la comparación del factor denominado regulación de voltaje (Ɛ. El Ɛ de un generador s"ncrono para una determinada carga$ factor de potencia$ y$ velocidad nominal$ se define como! C
=
E nl
−
-fl
-fl
× $66:
En donde! 1fl 8 es la tensión a la salida del generador a full carga Enl 8 (equivalente a E& es la tensión en los bornes sin carga (tensión interna$ 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. =ara factores de potencia medios$ Ɛ es positivo$ y$ para factores de potencia altos (3$ el Ɛ es negativo.
Funcionamiento #lternador en red aislada > La cantidad de redes aisladas son m"nimas. > 0uando el generador est# funcionando aisladamente de un sistema el+ctrico (o sea$ est# en una isla de potencia$ la e-citación del campo controla la tensión el+ctrica generada. > El funcionamiento del generador (caracter"sticas de operación var"a 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 e-citatriz (Ie.
Funcionamiento #lternador en red aislada > La m#quina primaria (turbina tiene un regulador de velocidad que actúa sobre la entrada del agua en turbinas )idr#ulicas$ manteniendo constante la velocidad y por tanto la frecuencia.
Funcionamiento #lternador en red aislada > >
/egulador de tensión incorporado a la e-citatriz para variar la corriente de campo lo que permite controlar la tensión de salida. /egulador de velocidad actúa sobre la entrada del caudal de agua (turbina )idr#ulica$ permitiendo controlar la velocidad y por consiguiente la frecuencia.
2egulador de elocidad
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 !ara abastecer la demanda se conectan varios grupos de generadores en paralelo "a red as# constituida $equivale% a un generador gigantesco en el que prácticamente la tensión y frecuencia se mantienen constantes
Alternador acoplado al SNI •
&n &cuador la capacidad instalada (efectiva) en generación es de '* + (mar-o./01') 2nfraestructura del 342 al /01'
Alternador acoplado al SNI •
&n &cuador la capacidad instalada (efectiva) en generación es de '* + (mar-o./01') CENTRALES HIDREL!CTRICAS
Coca Codo Sinclair 1500 MW
Sopladora 487 MW Mina" San %ranci"co &75 MW Del"itani"a#$a 180 MW
Alternador acoplado a la red • •
"a conexión en paralelo de un alternador (generador) implica una serie de operaciones comple5as que se denomina sincroni-ación de la máquina !ara sincroni-ar 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' ωo
2 2 VF senω 0 t * senω b t
= −
≈
ω
y
ω b
=
ω
−
ω'
Con 'rec$encia de (0 H) * RED +S, N,I, - ./
2
Con 'rec$encia de 58 H) * enerador +./ .o
232
.
'3' 2o S A&
CC
Alternador acoplado a la red •
Condiciones para acoplar en paralelo un alternador6
1) "as frecuencias de ambas tensiones deben ser iguales /) "a tensión del generador debe tener un valor efica- igual a la tensión de la red y sus fases deben coincidir *) 2dentidad de fases (7.789 3.389 :.:8) ) "as secuencias de fases del alternador y la red deben ser idénticas
Alternador acoplado a la red
"ámparas de sincroni-ación
Montae e$ipo" en I"i6anci
Montae e$ipo" en I"i6anci
Montae e$ipo" en I"i6anci +Re#$lador de 2elocidad/
roce"o de "incroni)aci9n 1 "levar la máquina ;/ hasta una velocidad próxima a la de sincronismo / &xcitar la máquina ;/ de forma que el volt#metro
roce"o de "incroni)aci9n 1 "levar la máquina ;/ hasta una velocidad próxima a la de sincronismo / &xcitar la máquina ;/ de forma que el volt#metro
TERM
N:CLEAR
DERI2AD LINEA DE TRANSMISIN A TRAS >NAS ERA%ICAS
TRA%
TRA%
TRA%
TRA% ;ARRA IN%INITA &<0 =2
CENTR DE CARA
CENTR DE CARA
otencia acti?a @ reacti?a de 6$ina "Bncrona +polo" li"o"/ acoplada a red in'inita E
o
= V + 5 *
S = * VI E I =
o
>
I
s = ! + 5 A
(despreciando 7 ) i
−V
5 >
s Considerando E o = & o ∠? = & o cos? + 5 & o sen?
7eempla-an do I =
(& cos? o
− @) + 5 &
5 >
o
sen?
s
&o cos ?
? n e s o
&
otencia acti?a @ reacti?a de 6$ina "Bncrona +polo" li"o"/ acoplada a red in'inita
S
S
= 3V
=
*
&
(&
o
cos?
−
@) . 5 &
. 5 > @
o > s
sen?
sen?
s
5 *
+
o
&
o
@ cos? >
−
@/
s
&o cos ?
? n e s o
&
otencia acti?a @ reacti?a de 6$ina "Bncrona +polo" li"o"/ acoplada a red in'inita *& @ o ! = sen? > s & A
=
*
o
@ cos? >
=
! sen? max
−
@/
! max
⇒
=
*& @ o > s
s
• "a variación del regulador de velocidad de la turbina provoca un cambio en la potencia activa que entrega la máquina, que se ve refle5ada f#sicamente como una modificación en el ángulo ? que forma la fem & 0 con la @ • "a variación de la corriente de excitación provoca un cambio en la potencia reactiva que entrega la máquina pero no afecta a la potencia activa que puede ceder o absorber &o cos ?
? n e s o
&
otencia acti?a @ reacti?a de 6$ina "Bncrona +polo" li"o"/ acoplada a red in'inita 1 ; ? se denomina ángulo de potencia y también ángulo de carga An#$lo
/ 3i ?B0 la potencia activa es positiva y corresponde al funcionamiento como generador s#ncrono
enerador Motor
* 3i ?0 la potencia activa es negativa, la máquina recibe potencia activa de la red y traba5a como motor s#ncrono entregando potencia mecánica en el e5e
Eo
E
otencia acti?a @ reacti?a de 6$ina "Bncrona +polo" li"o"/ acoplada a red in'inita 3i ?B0 la potencia activa es positiva y corresponde al funcionamiento como D&4&7;EF7 s#ncrono +/
F0 G0
3i ?0 la potencia activa es negativa, la máquina recibe potencia activa de la red y traba5a como +F:F7 s#ncrono entregando potencia mecánica en el e5e I
+-/
φ -δ E
o
V j XsI
Analo#Ba Mecnica de la M$ina SBncrona
Eo
Eo
Eo Eo
Eo
;alance" de potencia", Rendi6iento
Motor "Bncrono •
•
"os motores s#ncronos se utili-an para convertir energ#a eléctrica en mecánica
•
"os motores s#ncronos habituales se fabrican para la industria pesada, en potencias de entre 1=0 G (/00 H!) y 1= + (/0 000 H!), y, tienen velocidades de giro de entre 1=0 a 1I00 rpm
Motor "Bncrono •
• •
"os motores s#ncronos que pueden arrancar en vac#o (sin carga mecánica), la puesta en marcha se reali-a por medio de un motor auxiliar (motor pony), generalmente as#ncrono con igual nJmero de polos que el motor principal, de tal forma que se consigue una velocidad de rotación casi s#ncrona y la conexión a la red se reali-a empleando equipos de sincroni-ación al igual que el acoplamiento de un alternador a la red 3e pueden emplear motores de CC para este fin con la venta5a que se puede regular su velocidad Ftro procedimiento práctico consiste en su arranque como as#ncrono para lo cual es necesario una 5aula de ardilla sobre los polos de la máquina
Motor "Bncrono •
"os motores s#ncronos se utili-an generalmente en tamaKos grandes, porque en tamaKos pequeKos son más costosos en comparación con las máquinas de inducción
•
&l factor de potencia de la máquina sincrónica se puede controlar muy fácilmente mediante el control de la corriente de campo
Tran"itorio de cortocirc$ito de $na 6$ina "Bncrona •
• •
"a condición más grave que le puede ocurrir a un generador s#ncrono es el cortocircuito trifásico &ste fenómeno f#sico da lugar a la definición de nuevas reactancias s#ncronas en el comportamiento transitorio "a figura presenta la naturale-a de la variación de la corriente en una de las tres fases en el momento del cortocircuito "os valores pico de la corriente (máximo positivo y negativo) se define por la envolvente ab y ef "a corriente cd, equidistante entre las envolventes, representa una corriente unidireccional (CC) que cae lentamente, sobre la que se superpone otra de C; que también se amortigua con el tiempo (ver figura siguiente lámina)
Tran"itorio de cortocirc$ito de $na 6$ina "Bncrona • • • •
"as envolventes de la nueva figura (una de ellas a8b8) serán simétricas &sta figura se denomina seKal componente simétrica de la C; de cortocircuito "a aparición de estas componentes se basa en el concepto de flu5o atrapado "a componente simétrica puede dividirse en tres periodos6 1) subtransitorio, durante el primer ciclo luego de la falla9 /) transitorio, disminuye con mayor lentitud9 y, *) estacionario, la corriente alcan-a el régimen permanente
3ubransitorio
:ransitorio
!ermanente
Tran"itorio de cortocirc$ito de $na 6$ina "Bncrona •
&n el periodo subtransitorio, la corriente de cortocircuito está limitada en el estator Jnicamente a la reactancia de dispersión
• ;l no poder cambiar el flu5o instantáneamente para contrarrestar el efecto desmagneti-ante de la corriente en el inducido, aparecerán corrientes en el devanado de excitación (> e) y en los devanados amortiguadores amortiguadores (> a), siendo >p la reactancia de reacción del inducido &l equivalente de este circuito se denomina reactancia subtransitoria (> sL)
3ubransitorio
:ransitorio
!ermanente
Tran"itorio de cortocirc$ito de $na 6$ina "Bncrona >s
''
=
>?
+
1 >a
''
2
=
>e
+
1 >p
&0 >s
3ubransitorio
+
1 1
''
:ransitorio
!ermanente
Tran"itorio de cortocirc$ito de $na 6$ina "Bncrona •
&l efecto del devanado amortiguador desaparece desaparece después de los primeros ciclos a causa de que la resistencia de este bobinado es mayor que la del devanado de excitación "a reactancia equivalente se denomina reactancia transitoria (> s8) >s
'
=
>?
+
1 1 >e
'
2
=
1 >p
&0 >s
3ubransitorio
+
:ransitorio
'
!ermanente
