UNIDAD 3 GENERADORES SINCRONOS MAQUINAS ELECTRICAS WILBERTH GABRIEL TOLOSA ALMEYDA | INGENIERIA ELECTROMECANICA | 03/05/18
INTRODUCCION
La generación, transmisión y distribución de energía eléctrica se efectúa a través de sistemas trifásicos de corriente alterna. Las ventajas que se obtienen en los sistemas trifásicos con respecto a los monofásicos son: 1. Ahorro de materiales en equipos, líneas de transmisión y distribución. 2. Generación
de
campos
magnéticos
rotantes
(Principio
de
funcionamiento de los motores). 3. Potencia instantánea constante (Lo cual hace que los motores tengan una marcha más suave y silenciosa).
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INDICE
INTRODUCCION ...................................................................................................... 1 INDICE ...................................................................................................................... 2 TABLA DE ILUSTRACIONES ................................................................................... 3 UNIDAD 3 GENERADORES SINCRONOS 3.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Y CONSTRUCCIÓN DEL GENERADOR SINCRÓNICO........................................... 4 3.2. Obtención del circuito equivalente del generador síncrono monofásico y trifásico. ................................................................................................................. 6 3.3. Regulación de voltaje en el generador con factor de potencia. ....................... 9 3.4 Análisis de la relación de potencia y par. ....................................................... 12 3.5. PARALELAJE DE alternadores síncronos. ................................................... 14
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TABLA DE ILUSTRACIONES Ilustración 1............................................................................................................... 5 Ilustración 2............................................................................................................... 7 Ilustración 3............................................................................................................... 8 Ilustración 4............................................................................................................... 9 Ilustración 5............................................................................................................. 10 Ilustración 6............................................................................................................. 11 Ilustración 7............................................................................................................. 12
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UNIDAD 3 GENERADORES SINCRONOS 3.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Y CONSTRUCCIÓN DEL GENERADOR SINCRÓNICO.
El generador síncrono es el principal generador de la energía electrica que se utiliza en todo el mundo. La máquina síncrona se puede hacer funcionar como motor y como generador, por lo tanto, la construcción del generador es la misma que la del motor síncrono. Una de las características principales del generador síncrono, es que su rotor o parte rotatoria se construyen de dos formas: rotores de polos salientes y rotores de polos lisos o cilíndricos. Los primeros se usan por lo general en centrales hidroeléctricas y los segundos en centrales térmicas impulsados por turbinas de vapor. Otra parte importante de la maquina es el estator también conocido como armadura, representa la parte fija de la máquina y está formado por las laminaciones de acero de alta permeabilidad magnética. Tanto el rotor como el estator representan las partes principales del generador síncrono. Su principio de funcionamiento se basa en la ley de inducción electromagnética Faraday. En este caso se aplica una excitación de corriente directa a las terminales del devanado del rotor con el propósito de producir un campo magnético. Posteriormente el rotor del generador se hace girar mediante un motor primario dando como resultado la producción de un campo magnético rotatorio en la máquina, a su vez este campo magnético induce en el devanado del estator voltaje de salida, cumpliéndose de esta forma la ley de Faraday. En esta máquina se tienen devanados en el rotor y en el estator a los devanados del rotor también se le conoce como devanado de campo y al devanado del estator como devanado de inducido.
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En la siguiente imag se observa el rotor de un generador sincrónico , una sección de corte.
Ilustración 1
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3.2. OBTENCIÓN DEL CIRCUITO EQUIVALENTE DEL GENERADOR SÍNCRONO MONOFÁSICO Y TRIFÁSICO. El circuito equivalente del generador sincrónico, representa el modelo de la máquina para determinar el comportamiento de la tensión en las terminales del generador. Este voltaje depende del tipo de carga que se encuentre conectada a la máquina y puede mayor o menor que el voltaje generado. Esta diferencia de voltaje generado en las terminales de la maquina obedece a varios factores como son:
La reacción de armadura
La caída de voltaje en la resistencia de armadura
La caída de voltaje o reactancia de distorsión en la armadura
La forma del rotor de polos salientes
En la sig fig se observa el circuito equivalente de un generador síncrono trifásico, la resistencia Ra nos representa la caída de voltaje en la armadura, la reactancia Xs nos representa el voltaje o reacción del inducido o armadura mas la caída de voltaje o reactancia de distorsión en la armadura, Ea nos representa el voltaje interno generado.
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Ilustración 2
En esta fig también se aprecia del lado izquierdo una fuente de potencia de corriente directa que proporciona la excitación al circuito de campo del rotor, donde se modela con una inductancia y una resistencia conectadas en serie con la bobina. La resistencia de Rajust, es un registro ajustable que tiene como propósito limitar la corriente de campo Rf y Lf representan la resistencia y la inductancia de la bobina de campo. En el lado derecho se reprentan tres circuitos que modelan a los elementos de la maquina en cada una de sus tres fases. Como sabemos los voltajes y las corrientes están desfasadas120° fuera de esto en los tres circuitos de fase son idénticos. Al ser una maquina trifásica, se tendrá la opción de conectar en estrella o en delta como se puede apreciar en la fig.
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Ilustración 3
Debido a que las tres fases del generador síncrono son idénticas en todos sus parámetros excepto en el ángulo de fase, nos permite la utilización de un circuito equivalente por fase tal como se observa en la fig. En este circuito se puede apreciar como la resistencia, el circuito de campo interno y la resistencia variable externa se han combinado y se representan en un solo registro denominado RF. Es importante recalcar que el análisis del circuito equivalente por Fase será válido siempre que la carga conectada al generado este balanceada en sus tres fases, en caso contrario será necesario recurrir a otras técnicas para su análisis.
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Ilustración 4
3.3. REGULACIÓN DE VOLTAJE EN EL GENERADOR CON FACTOR DE POTENCIA.
La regulación de voltaje un generador síncrono se define como la razón de cambio del voltaje en las terminales de la máquina, de este voltaje en el vacío hasta plena carga. Así la regulación de voltaje porcentual queda determinada por la siguiente expresión:
La regulación de voltaje depende del tipo de carga conectada al generador, así para cargas resistivas e inductivas el voltaje en las terminales es menor el voltaje generado mientras que para una carga capacitiva, el voltaje en las terminales es mayor al voltaje generado.
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3.3.1 Factor de potencia unitario
Cuando se conecta una carga resistiva el generador síncrono, se obtiene un factor de potencia unitario en la máquina y su diagrama fasorial se representa en la fig. En la fig se aprecia que el voltaje en las terminales de la maquina se encuentra en fase con la corriente de armadura, mientras que la caída de tensión en la reactancia de armadura se encuentra encuadrada
Ilustración 5
3.3.2 Factor de potencia en atraso
Cuando se conecta una carga inductiva a la maquina se obtiene un factor de potencia en atraso o también denominado inductivo. El diagrama fasorial para este tipo de carga se observa en el fin donde se aprecia como una corriente de armadura se encuentra desfasada con un Angulo negativo respecto al voltaje en las terminales de la maquina provocando de igual manera un desfasamiento en la caída de tensión debido a la resistencia de armadura y la caída de voltaje en la reactancia síncrona sigue estando en la cuadratura con esta última
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Ilustración 6
. 3.3.3 Factor de potencia en adelanto Un factor de potencia en adelanto se obtiene cuando se conecta a la maquina una carga capacitiva (capacitores o motor síncrono), también se denomina factor de potencia capacitivo.
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3.4 ANÁLISIS DE LA RELACIÓN DE POTENCIA Y PAR.
Un generador síncrono es una maquina síncrona utilizada para convertir energía mecánica en energía electrica, por lo tanto, el rotor de esta máquina está conectado a una fuente externa que puede ser un motor de combustión interna, una turbina de gas, una turbina hidráulica, o cualquier otro equipo similar, Por lo tanto, esta máquina entra en operación se producen perdidas por rotación (perdidas mecánicas y magnéticas), perdidas en el cobre del devanado de armadura, perdidas por excitación del campo en el devanado de campo y las perdidas por carga parasitas. La fig se puede observar el proceso desde la entrada de potencia mecánica hasta la salía de potencia electrica en la máquina.
Ilustración 7
Asi la potencia mecánica de entrada es la potencia eje en el generador, mientras que la potencia mecánica convertida en potencia electrica esta dada por la siguiente expresión:
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Siendo gamma /y) el angulo entre el voltaje y la corriente. La potencia electrica de salida real del generador síncrono queda determinado por:
O en cantidades fasoriales
La potencia reactiva de salida se obtiene utilizando el triangulo de pontencias, quedando
O en cantidades fasoriales
El par desarrollado por un generador síncrono opone al par aplicado por el primario y se puede expresar como:
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3.5. PARALELAJE DE ALTERNADORES SÍNCRONOS.
Como sabemos la energía electrica de corriente alterna de generarse, transmitirse, distribuirse de manera eficiente y confiable se configuran de tal forma que los generadores síncronos se conectan en paralelo para abastecer la gran demanda de potencia electrica de los usuarios. Algunas de las razones por las que se conectan en paralelo los generadores síncronos son: Dos o más generadores síncronos pueden abastecer una carga mucho mayor que un solo generador. •
El tener varios generadores síncronos aumenta la confiabilidad del sistema debido a la configuración que se tiene en caso de falla de alguno de ellos se puede abastecer esa carga con los demás generadores conectados.
•
El tener varios generadores síncronos facilita el mantenimiento preventivo en cualquiera de ellos.
En caso que se tuviera un solo generador para abastecer toda la carga y esta no se estuviera conectada al 100% provocaría una baja eficiencia de la máquina, en cambio al tener varios generadores de menor capacidad, únicamente estaría trabajando aquellos que fuera necesario. En la siguiente figura se aprecia la conexión para operación en paralelo de dos alternadores trifásicos.
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Ilustración 8
Antes de conectar el generador síncrono en paralelo con otro o a un bus infinito se debe de sincronizar esto es; se debe verificar que se cumplan ciertas condiciones antes de su conexión enseguida se indican estas condiciones: •
El voltaje del generador debe ser igual al voltaje del sistema
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La frecuencia electrica del generador debe ser igual a la frecuencia del sistema.
•
El voltaje del generador de estar en fase con el voltaje del sistema, esto es que los ángulos de fase de las dos fases a deben ser iguales.
•
La secuencia de fases del generador debe ser igual a la secuencia de fases del sistema.
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Bibliografía •
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Chapman, S. (2012). Máquinas Eléctricas (5ª Ed). Mexico: Mc Graw Hill. Kosow,I. (2001). Máquinas Eléctricas y Transformadores (2ª Ed.). Mexico: Pearson Wildi, T. (2009). Máquinas Eléctricas y Sistemas de Potencia (6ª Ed). Mexico: Pearson Leander, W. (2003). Máquinas electromagnéticas y electromecánicas. (4ª Ed.) Mexico:
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