UNIDAD 3 MAQUINAS SINCRONAS. 3.1 GENERALIDADES Y CONSTRUCCIÓN DEL MOTOR SÍNCRONO. 3.2 ANÁLISIS DE LAS FORMAS DE ARRANQUE DEL MOTOR TRIFÁSICO. 3.3 ESTUDIO DEL EFECTO DE CARGA EN CONDICIONES DE • • •
3.3.1EXITACION NORMAL 3.3.2 SUBEXCITACIÓN 3.3.3 SOBREEXCITACIÓN
3.4 OPERACIÓN DE LAS CURVAS V EN EL MOTOR SÍNCRONO. 3.5 CORRECCIÓN Y AUSTE DEL FACTOR DE POTENCIA CON CARGA CONSTANTE MEDIANTE UN MOTOR SINCRONO. 3.! PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Y CONSTRUCCIÓN DEL GENERADOR SINCRÓNICO. 3." OBTENCION DEL CIRCUITO EQUIVALENTE EQUIVALENTE DEL GENERADOR SÍNCRONO MONOFÁSICO Y TRIFÁSICO. 3.# REGULÁCION DE VOLTAE EN EL GENERADOR CON FACTOR DE POTENCIA. 3.$ ANÁLISIS DE LA RELACIÓN DE POTENCIA Y PAR. 3.1% PARALELAE DE ALTERNADORES SÍNCRONOS.
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3. Introducción
Las máquinas máquinas de de corriente continua y de inducción inducción tienen tienen un amplio rango de aplicaciones industriales tales como tracción, bombeo, control control y y otros. Sin embargo, la operación del sistema sistema eléctrico eléctrico de potencia potencia requiere requiere la conversión de grandes cantidades de energía primaria (petróleo ( petróleo,, gas natural, natural, agua agua,, carbón, uranio), en energía y potencia eléctrica. La energía eléctrica puede eléctrica puede ser transportada y convertida en otras formas de energía en forma limpia y económica. La máquina sincrónica es oy por oy, la más ampliamente utili!ada para convertir grandes cantidades de energía eléctrica y mecánica mecánica.. "ependiendo del sistema mecánico de accionamiento, las máquinas sincrónicas pueden construirse de rotor liso cuando deban operar en altas velocidades, o con rotor de polos salientes cuando son accionadas a menor velocidad velocidad.. #un cuando un gran porcenta$e de máquinas sincrónicas son utili!adas como generadores en las plantas plantas de de producción producción de de energía eléctrica, debido fundamentalmente al alto rendimiento que es posible alcan!ar con estos convertidores y a la posibilidad de controlar la tensión, en numerosas ocasiones se emplea industrialmente como elemento motri!. %omo otros convertidores electromecánicos, la máquina sincrónica es completamente reversible y se incrementa día a día el n&mero de aplicaciones donde puede ser utili!ada con grandes venta$as, especialmente cuando se controla mediante fuentes electrónicas de frecuencia y tensión variable. 'ara que la máquina síncrona sea capa! de efectivamente convertir energía mecánica aplicada a su e$e, es necesario que el enrollamiento de campo locali!ado en el rotor de la máquina sea alimentado por una fuente de tensión continua de forma que al girar el campo magnético generado por los polos del rotor tengan un movimiento relativo a los conductores de los enrollamientos del estator. Las máquinas sincrónicas
La máquina sincrónica es un convertidor electromecánico de energía con una pie!a giratoria denominada rotor o campo, cuya bobina se ecita mediante la inyección de una corriente continua, y una pie!a fi$a denominada estator o armadura por cuyas bobinas circula corriente alterna. Las corrientes alternas que circulan por los enrollados del estator producen un campo magnético rotatorio que gira en el entreierro de la máquina con la frecuencia angular de las corrientes de armadura. l rotor debe girar a la misma velocidad del campo magnético rotatorio producido en el estator para que el torque eléctrico medio pueda ser diferente de cero. Si las velocidades angulares del campo magnético rotatorio y del rotor de la máquina sincrónica son diferentes, el torque eléctrico medio es nulo. 'or esta ra!ón a esta máquina se la denomina sincrónica* el rotor gira mecánicamente a la misma frecuencia del campo magnético rotatorio del estator durante la operación en régimen permanente. Se utili!an en mayor medida como generadores de corriente alterna que alterna que como motores motores de de corriente alterna, ya que no presentan par de arranque y ay que emplear diferentes métodos métodos de de arranque y aceleración asta la velocidad de sincronismo. +ambién +ambién se utili!an para controlar la potencia reactiva de la red red por por su 2
3. Introducción
Las máquinas máquinas de de corriente continua y de inducción inducción tienen tienen un amplio rango de aplicaciones industriales tales como tracción, bombeo, control control y y otros. Sin embargo, la operación del sistema sistema eléctrico eléctrico de potencia potencia requiere requiere la conversión de grandes cantidades de energía primaria (petróleo ( petróleo,, gas natural, natural, agua agua,, carbón, uranio), en energía y potencia eléctrica. La energía eléctrica puede eléctrica puede ser transportada y convertida en otras formas de energía en forma limpia y económica. La máquina sincrónica es oy por oy, la más ampliamente utili!ada para convertir grandes cantidades de energía eléctrica y mecánica mecánica.. "ependiendo del sistema mecánico de accionamiento, las máquinas sincrónicas pueden construirse de rotor liso cuando deban operar en altas velocidades, o con rotor de polos salientes cuando son accionadas a menor velocidad velocidad.. #un cuando un gran porcenta$e de máquinas sincrónicas son utili!adas como generadores en las plantas plantas de de producción producción de de energía eléctrica, debido fundamentalmente al alto rendimiento que es posible alcan!ar con estos convertidores y a la posibilidad de controlar la tensión, en numerosas ocasiones se emplea industrialmente como elemento motri!. %omo otros convertidores electromecánicos, la máquina sincrónica es completamente reversible y se incrementa día a día el n&mero de aplicaciones donde puede ser utili!ada con grandes venta$as, especialmente cuando se controla mediante fuentes electrónicas de frecuencia y tensión variable. 'ara que la máquina síncrona sea capa! de efectivamente convertir energía mecánica aplicada a su e$e, es necesario que el enrollamiento de campo locali!ado en el rotor de la máquina sea alimentado por una fuente de tensión continua de forma que al girar el campo magnético generado por los polos del rotor tengan un movimiento relativo a los conductores de los enrollamientos del estator. Las máquinas sincrónicas
La máquina sincrónica es un convertidor electromecánico de energía con una pie!a giratoria denominada rotor o campo, cuya bobina se ecita mediante la inyección de una corriente continua, y una pie!a fi$a denominada estator o armadura por cuyas bobinas circula corriente alterna. Las corrientes alternas que circulan por los enrollados del estator producen un campo magnético rotatorio que gira en el entreierro de la máquina con la frecuencia angular de las corrientes de armadura. l rotor debe girar a la misma velocidad del campo magnético rotatorio producido en el estator para que el torque eléctrico medio pueda ser diferente de cero. Si las velocidades angulares del campo magnético rotatorio y del rotor de la máquina sincrónica son diferentes, el torque eléctrico medio es nulo. 'or esta ra!ón a esta máquina se la denomina sincrónica* el rotor gira mecánicamente a la misma frecuencia del campo magnético rotatorio del estator durante la operación en régimen permanente. Se utili!an en mayor medida como generadores de corriente alterna que alterna que como motores motores de de corriente alterna, ya que no presentan par de arranque y ay que emplear diferentes métodos métodos de de arranque y aceleración asta la velocidad de sincronismo. +ambién +ambién se utili!an para controlar la potencia reactiva de la red red por por su 2
capacidad para, manteniendo la potencia activa desarrollada constante, variar la potencia reactiva que absorbe o cede a la red.
na máquina síncrona es una maquina eléctrica rotativa de corriente alterna cuya velocidad de giro en régimen permanente está ligada con la frecuencia de la tensión en bornes y el n&mero de pares de polos.
"onde• • • •
f - recuencia de la red a la que está conectada la máquina (/0) P- 1&mero de pares de polos que tiene la máquina p- 1&mero de polos que tiene la máquina n- 2elocidad de sincronismo de la máquina (revoluciones por minuto) Maquinas Sincrónicas: Los maquinas síncronas son un tipo de motor de corriente
alterna. Su velocidad de giro es constante y depende de la frecuencia de la tensión de la red eléctrica a la que esté conectada y por el n&mero de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como 3velocidad de sincronismo3. ste tipo de motor contiene electro magnetos en el estator del motor que crean un campo magnético que rota en el tiempo a esta velocidad de sincronismo. n términos prácticos, las máquinas sincrónicas tienen su mayor aplicación en potencias elevadas, particularmente como generadores ya sea a ba$as revoluciones en centrales idroeléctricas, o bien a altas revoluciones en turbinas de vapor o gas. %uando la máquina se encuentra conectada a la red, la velocidad de su e$e depende directamente de la frecuencia de las variables eléctricas (volta$e y corriente) y del n&mero de polos. ste eco da origen a su nombre, ya que se dice que la máquina opera en sincronismo con la red. 'or e$emplo, una máquina con un par de polos conectada a una red de 45 6/!7 girará a una velocidad fi$a de 8555 69':7, si se tratara de una máquina de dos pares de polos la velocidad sería de ;455 69':7 y así sucesivamente, asta motores con <5 o más pares de polos que giran a ba$ísimas revoluciones. n la operación como generador desacoplado de la red, la frecuencia de las corrientes generadas depende directamente de la velocidad mecánica del e$e. sta aplicación a sido particularmente relevante en el desarrollo de centrales de generación a partir de recursos renovables como la energía eólica. Las máquinas sincrónicas también se emplean como motores de alta potencia (mayores de ;5.555 6/'7) y ba$as revoluciones. n e$emplo particular de estas aplicaciones es al interior de la industria minera como molinos semiautógenos (molinos S#=) o como descorte!adores de la industria maderera.
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3.1 GENERALIDADES Y CONSTRUCCIÓN DEL MOTOR SÍNCRONO. Generadores Sincrónicos:
l generador síncrono (alternador) es un tipo de máquina eléctrica rotativa capa! de transformar energía m ec áni ca en energía eléctrica. # estos también se los conoce como :áq uinas Síncronas, la ra!ón por la que se llama generador síncrono es la igualdad entre la frecuencia eléctrica como la frecuencia angular, es decir, el generador girara a la velocidad del campo magnético, por lo que a esta igualdad de frecuencias se le denomina sincronismo. Los generadores constan fundamentalmente del rotor y el estator, ambos con devanados. sta máquina funciona alimentando al rotor o circuito de campo por medio de una batería es decir por este devanado fluirá %%., mientras q en el estator o circuito de armadura la corriente es alterna %#. l generador síncrono está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y de una parte fi$a o estator, el principio de funcionamiento de un generador síncrono se basa en la ley de araday. 'ara crear tensión inducida en el (estator), debemos crear un campo magnético en el rotor o circuito de campo, esto lo lograremos alimentado el rotor con una batería, este campo magnético inducirá una tensión en el devanado de armadura por lo que tendremos una corriente alterna fluyendo a través de él. Tipos de construcción:
La principal diferencia entre los diferentes tipos de generadores síncronos, se encuentra en su sistema de a lime nt ación en continua para la fuente de ecitación situada en el rotor. Excitación Independiente: ecitatri! independiente de continua que alimenta el
rotor a través de un $uego de anillos ro!antes y escobillas. Excitatriz principa ! excitatriz pioto: la máquina principal de continua tiene
como bobinado de campo otra máquina de ecitación independiente, accionada por el mismo e$e. Eectrónica de potencia: directamente, desde la salida trifásica del generador, se
rectifica la se>al mediante un rectificador controlado, y desde el mismo se alimenta directamente en continua el rotor mediante un $uego de contactores (anillos y escobillas). l arranque se efect&a utili!ando una fuente auiliar (batería) asta conseguir arrancar.
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Sin esco"ias# o diodos $iratorios: la fuente de continua es un rectificador no
controlado situado en el mismo rotor (dentro del mismo) alimentado en alterna por un generador situado también en el mismo e$e y cuyo bobinado de campo es ecitado desde un rectificador controlado que rectifica la se>al generada por el giro de unos imanes permanentes situados en el mismo rotor (que constituyen la ecitatri! piloto de alterna). Partes de un $enerador s%ncrono:
# continuación se detalla las partes fundamentales que componen un generador síncrono;. stator. ?. 9otor. 8. Sistema de enfriamiento. <. citatri!. 4. %onmutador.
ig ;- 'artes del #lternado Estator:
'arte fi$a de la máquina, montada envuelta del rotor de forma que el mismo pueda girar en su interior, también constituido de un material ferromagnético envuelto en un con$unto de enrollamientos distribuidos al largo de su circunferencia. Los enrollamientos del estator son alimentados por un sistema de tensiones alternadas trifásicas. 'or el estator circula toda la energía eléctrica generada, siendo que tanto la tensión en cuanto a corriente eléctrica que circulan son bastante elevadas en relación al campo, que tiene como fun ció n sólo producir un campo magnético para 3ecitar3 la máquina de forma que fuera posible la inducción de tensiones en las terminales de los enrollamientos del estator. La máquina síncrona está compuesta básicamente de una parte activa fi$a que se conoce como inducido o S+#+@9 y de una parte giratoria coaial que se conoce como inductor o 9@+@9. l espacio comprendido entre el rotor y el estator, es conocido como entreierro.
sta máquina tiene la particularidad de poder operar ya sea como generador o como m o tor.
ig 8- stator del #lternado Los elementos más importantes del estator de un generador de c orrie nte a ltern a, son las siguientes;. %omponentes mecánicas. ?. Sistema de coneión en estrella. 8. Sistema de coneión en delta. &omponentes mecánicas. Las componentes mecánicas de un generador son
las siguientes#. La carcasa- La carcasa del estator está formada por bobinas de campo arrollados sin di recc ión, soportadas en pie!as de polo sólidas. Las bobinas están ventiladas en su etremo para proporcionar de esta forma una amplia ventilación y márgenes de elevación de temperatura . La carcasa del estator es encapsulada por una cubierta apropiada para proporcionar blindado y deflectores de ai re para una correcta ventilación de la ecitatri! sin escobillas. A. l n&cleo. %. Las bobinas. ". La ca$a de terminales. Sistema de conexión en estrea. Los devanados del estator de un generador de
%.#. están conectados generalmente en estrella, en la siguiente figura +;, +?, +8
representan las terminales de línea (al sistema) +<, +4, +B son las terminales que unidas forman el neutro.
ig <- coneión en estrella Sistema de conexión deta. La coneión delta se ace conectando las
terminales ; a B, ? a < y 8 a 4, las terminales de línea se conectan a ;, ? y 8, con esta coneión se tiene con relación a la coneión estrella, un volta$e menor, pero en c ambi o se incrementa la corriente de línea. ig <- coneión en delta
'otor:
s la parte de la máquina que reali!a el movimiento rotatorio, constituido de un material ferromagnético envuelto en un enrollamiento llamado de 3enrollamiento de campo3, que tiene como función producir un campo magnético constante así como en el caso del generador de corriente continua para interactuar con el campo producido por el enrollamiento del estator. La tensión aplicada en ese enrollamiento es continua y la intensidad de la corriente soportada por ese enrollamiento es muco más peque>o que el enrollamiento del estator, además de eso el rotor puede contener dos o más enrollamientos, siempre en n&mero par y todos conectados en serie siendo que
cada enrollamiento será responsable por la producción de uno de los polos del electroimán.
ig 4- 9otor del #lternador
Sistema de enfriamiento.
;. Generadores enfriados por aire: stos generadores se dividen en dos tipos básicos- abiertos ventilados y completamente cerrados enfriados por agu a a aire. Los generadores de tipo @2 fueron los primeros construidos, el aire en este tipo de generadores pasa sólo una ve! por el sistema y considerable cantidad de
materias etra>as que pueden acumularse en las bobinas, interfiriendo la transferencia de calor y afectando adversamente al aislamiento. Los generadores tipo +C%, son un sistema de enfriamiento cerrado, donde el aire re circula constantemente y se enfría pasando a través del tubo del enfriador, dentro de los cuales se ace pasar agua de circulación. La suciedad y materias etra>as no eisten en el sistema, y puesto que se tiene agua de enfriamiento disponible, la temperatura del aire puede mantenerse tan ba$a como se desee. ?. Generadores enfriados por (idró $e no : Los generadores de mayor capacidad, peso, tama>o y los más modernos, usan idrógeno para enfriamiento en ve! de aire en circuito de enfriamiento cerrado. l enfriamiento convencional con idrógeno puede usarse en generadores con capacidad nominal aproimada de 855 :2#. 8. Generadores enfriados por (idró$eno ) a$ua: 'ueden lograrse dise>os de generadores aun más compactos mediante el uso de enfriamiento con agua directo al devanado de la armadura del generador. stos dise>os emplean torones de cobre a través de los cuales fluye agua desioni!ada. l agua de enfriamiento se suministra vía un circuito cerrado. Tipos de dise*os:
# continuación vamos a enumerar cuales son los tipos de dise>os que se encuentran en la construcción de generadores síncronos. stos son"e polos salientes en el estator "e polos salientes en el motor =enerador sin escobillas #ora vamos a proceder a anali!ar cada uno de estos, recalcando la utilidad y aplicación de cada uno de estos dise>os.
Generador s%ncrono con poos saientes en e estator:
ig. B. =enerador con polos en el estator. l estator está constituido principalmente de un con$unto de láminas de ace ro al silicio (y se les llama 3paquete3), que tienen la abilidad de permitir que pase a través de ellas el flu$o magnético con facilidad* la parte metálica del estator y los devanados proveen los polos magnéticos. La particularidad de este tipo de generador es que tiene el inducido en el rotor, esta configuración es propia de máquinas de ba$a y media velocidad y potencia, asta ;555 rpm. 'or tal ra!ón para poder sacar la tensión producida, necesitamos de un sistema de colector de anillos. l n&mero de anillos a utili!ar va a depender directamente del n&mero de fases con la que nos encontremos traba$ando.
Generador s%ncrono con poos saientes en e rotor:
ig. D. =enerador con polos en el rotor ste generador a diferencia del anterior tiene el inducido en el estator, por tal ra!ón no necesitamos un mecanismo de colector de anillos para etraer la tensión generada ya que esta va a encontrarse en la parte eterna de la máquina, necesitaríamos &nicamente un par de anillos, con la finalidad de ingresar el volta$e de campo, pero esto es de gran ayuda ya que el volta$e de campo es considerablemente más peque>o que la tensión generada, por tal ra!ón este par de anillos van acer de medidas peque>as, y así mismo las escobillas no tendrían un tama>o mayor.
ig. 4. 'olos salientes en el rotor Se utili!a este tipo de generadores, para gran potencia, por la versatilidad que nos brinda.
Generador s%ncrono sin esco"ias:
ig. 4. =enerador sin escobillas ste tipo de generadores son de mediana potencia, para la ecitación podríamos tener un banco de baterías que sería de respaldo, la ecitatri! podría ser un alternador, es decir un generador síncrono con polos salientes en el estator, luego de esta etapa, sale a una placa electrónica en donde por medio de dispositivos electrónicos, se envía al circuito de ecitación del generador principal. 'ara reali!ar reparaciones en este tipo de generadores, es necesario saber sobre dispositivos electrónicos, y centrarse en el controlador.
ig. 4. #lternador sin escobillas "ebido a que no presenta ning&n contacto mecánico entre el rotor y el estator estas maquinas requieren muco menos m an ten im ie nt o.
3.2 ANÁLISIS DE LAS FORMAS DE ARRANQUE DEL MOTOR TRIFÁSICO.
%omo se a indicado en los subtemas anteriores, una de los grandes problemas del motor síncrono es su ba$o par de arranque, motivo por el cual se ace necesario llevar al motor a su velocidad síncrona utili!ando diferentes métodos.
nseguida se indican los principales métodos de arranque para este tipo de motor+rranque de motor por medio de a reducción de a frecuencia e,ctrica.
l propósito de este método es reducir la velocidad del campo magnético del estator de tal manera que el motor por sí mismo. /asta ace unos a>os este método era poco usual debido a que como sabemos los sistemas de energía eléctrica tienen frecuencias eléctricas fi$as que en el caso de nuestro país es de B5 /!. Sin embargo, oy día la situación es diferente debido al gran auge de los dispositivos semiconductores de estado sólido que son los encargados de entregar una salida de frecuencia variable mediante una entrada de frecuencia constante 6?7. +rranque de motor con un motor primario externo.
n este método se ace uso de un motor eterno de cd o ca que permita arrastrar al motor síncrono asta la velocidad plena, una ve! alcan!ada esta velocidad, el motor síncrono se puede conectar en paralelo con el sistema de potencia funcionando como generador, después de esto el motor de arranque es desconectado y la máquina síncrona se comporta aora como un motor, y está preparado para que se le suministre la carga 6;7, 6?7, 647 y 6B7. +rranque de motor con de-anados de amorti$uamiento.
ste es el método más popular para el arranque de los motores síncronos, también es conocido como método de arranque de motor síncrono como motor de inducción. %onsiste en colocar devanados de amortiguamiento en unas barras locali!adas en la cara del rotor y que están en cortocircuito en cada etremo por medio de un anillo 6?7, 647E6B7.
n este caso se supone que el motor estará traba$ando con una ecitación normal y constante. %omo sabemos, la velocidad del motor síncrono no puede variar al conectarse la carga debido a que este se encuentra funcionando a velocidad de sincronismo, sin embargo si se produce una peque>a variación en el ángulo
del par como se aprecia en la figura 8.B. l ángulo que se aprecia en la figura es , y representa el despla!amiento mecánico del rotor en relación al estator.
igura 8.B fecto de carga sobre la posición del rotor. (I. L. Kosow, Máquinas eléctricas y transformadores, pág.25!.
@bservando la figura 8.Ba, se aprecia que a&n cuando el motor está en vacío eiste un peque>o desfasamiento angular entre el centro de un conductor y el estator. "e la figura 8.Bb se deduce que a plena carga este despla!amiento se incrementa un poco más, sin embargo nunca llega a rebasar los 4F en motores síncronos trifásicos de varios polos. 'ara apreciar me$or este efecto de carga, analicemos la figura 8.D sin carga, con gp G 2p se tiene la condición de un factor de potencia unitario cuando es peque>o y G 5. n la figura 8.Db se aprecia que si la ecitación se mantiene constante, y se aumenta la carga al motor, aun cuando gp G 2p, aumenta r e Ha cuando aumentan y como consecuencia el ángulo tiene un desfasamiento. n la figura 8.Dc puede apreciarse que a&n cuando gp G 2p, si el motor se traba$a con una sobrecarga todos los parámetros cambian, lo cual nos lleva a concluir que las corrientes de pérdidas en el cobre de la armadura, la potencia desarrollada y la potencia de salida serán mayores. 'or <imo en la figura 8.Dd se observa de manera global el efecto que se manifiesta en el motor cuando se opera con ecitación normal y se va incrementando la carga la carga. #í puede observarse que seg&n aumenta la carga y , el volta$e resultante r que resulta de la diferencia del volta$e generado gp y el volta$e aplicado 2p, aumenta con rapide! y el ángulo del factor de
potencia tiende a aumentar ligeramente sin embargo su retraso no es en forma considerable 6;7, 6?7, 687 y 6D7.
igura 8.D fecto de aumentos de carga con ecitaciónnormal. (I. L. Kosow, Máqu i nas eléctricas y transformadores, pág.255!.
sta condición de carga del motor síncrono se estudia con referencia a la figura 8.I. n este diagrama fasorial se aprecia que cuando el motor se ecita con un volta$e gp J 2p, se produce una corriente en la armadura con un ángulo de retraso muy cercano a los K5F y a medida que la carga aumenta el factor de potencia me$ora como lo muestra el diagrama con la corriente de armadura H ? e H8. sta me$ora del factor de potencia se debe al mayor volta$e resultante en la máquina, provocando con ello una mayor corriente 6;7E687 y 6D7.
igura 8.I fecto del aumento de carga en condicines de subecitación gp J 2p. (I. L. Kosow, Máquinas eléctricas y transformadores, pág.25"!.
l <imo caso es cuando se traba$a al motor síncrono con una sobreecitación es decir gp 2p. n este caso cuando la carga es peque>o el volta$e resultante r;tiene un peque>o desfasamiento respecto a gp y la corriente en la armadura Ha; se encuentra en cuadratura, sin embargo a medida que se suministra una mayor carga al motor se observa como el ángulo de factor de potencia me$ora, acercándose a la unidad.
igura 8.K fecto del aumento de carga en condicines de sobreecitación gp 2p. (I. L. Kosow, Máquinas eléctricas y transformadores, pág.25#!.
Si reali!amos una comparación de los tres casos de ecitación, se tienen las siguientes conclusiones;.
#l aumentar la carga en la máquina, la corriente armadura aumenta independientemente del tipo de ecitación.
?.
%uando el motor síncrono se opera con sobrecitación o sobreecitación, al aumentar la carga, el factor de potencia tiende a la unidad.
8.
%uando el motor síncrono se opera con sobrecitación o sobreecitación, la variación del factor de potencia es mayor que la variación del a corriente en la armadura al aumentar la carga.
<.
1o así cuando el motor esta ecitado normalmente, la variación del factor de potencia es menor que la variación del a corriente en la armadura al aumentar la carga.
s importante se>alar que en estos casos no se a considerado el efecto de la reacción de armadura del motor 6;7, 6?7, 687 y 6D7
de
n el tema anterior se reali!ó el análisis del comportamiento del motor síncrono, rescatando las siguientes características (mismas que se sustentan en la figura 8.;5);. %uando el volta$e en las terminales de la máquina se encuentra en fase con la corriente de armadura, esta corriente es mínima y el factor de potencia es unitario. ?. %uando el motor síncrono se traba$a subecitado, el motor se comporta como una carga inductiva y por consecuencia su factor de potencia es atrasado. 8. %uando el motor síncrono se traba$a sobreecitado, el factor de ? potencia es en adelanto comportándose como una carga capacitiva .
igura 8.;5 Lugares geométricos de potencia constante para la corriente dela armadura y el volta$e d e ecitación. ($. %. &ur', Máquinas eléctricas y transformadores, pág.5!.
%uando estas características de corriente de armadura vs corriente de ecitación se grafican para diferentes condiciones de carga, se obtiene un con$unto de curvas conocidas como curvas 2 mismas que se aprecian en la figura D.;; 6;7, 6?7, 687 y 6D7.
n el tema anterior se indicó que una de las aplicaciones del motor síncrono es como corrector del factor de potencia, sin embargo esto es siempre y cuando el motor se opere sobreecitado. 'ara e$emplificar me$or esto, se presenta el siguiente problema-
na carga de 455 M2# funciona con factor de potencia igual a 5.D4 en retraso. Se desea agregar al sistema un motor síncrono de ?55 /' con una eficiencia de IIN y llevar a la carga total final del sistema a un fp igual a 5.I4 en retraso. %alcular a) Los M2# y el ftp del sistema con el motor agregado. b) La capacidad del motor cinco en M2# y el ftp al cual traba$a.
SoluciónMC originales G 455 M2# 5.D4G8D4 MC M2#9 originalesG 455 M2# tan G <<5 M2#9 sincro
MC del
no
?55(D
motor ;555(5. II
1
BK .4
)*
Para llevar el sistema a un fp 0.85 en atraso
MC finales G 8D4 MC O ;BK.4 MC G 4<<.4 MC M2
final
del
4<<
es
sistema
4
.
6
<5 .4 )+,
# 5. I4
'
del
4<<
sistema
4
.
5 .I4
en
atraso
finales
B<5
.
4
M2#9 finales del sistema G 4I? M2# tan ?G 8B; M2#9
M2#9 del motor síncronoG M2#9 finales E M2#9 originales G <<5 M2#9 E 8B; M2#9 G BK M2#9 M2# del motor síncrono G ;BK.4 E $BK G
;I8
??
l generador síncrono es el principal generador de la energía eléctrica que se utili!a en todo el mundo. %omo se indica en el subtema 8.;.; la máquina síncrona se puede acer funcionar como motor y como generador, por lo tanto la construcción del generador sincrónico es la misma que la del motor síncrono. na de las características principales del generador síncrono, es que su rotor o parte rotatoria se construyen de dos formas- rotores de polos salientes y rotores de polos lisos o cilíndricos. Los primeros se usan por lo general en centrales idroeléctricas y los segundos en centrales térmicas impulsados por turbinas de vapor. @tra parte importante de la máquina es el estator también conocido como armadura, representa la parte fi$a de la máquina y está formado por las laminaciones de acero de alta permeabilidad magnética. +anto el rotor como el estator representan las partes principales del generador sincrónico. Su principio de funcionamiento se basa en la ley de inducción electromagnética araday. n este caso se aplica una ecitación de corriente directa a las terminales del devanado del rotor con el propósito de producir un campo magnético. 'osteriormente el rotor del generador se ace girar mediante un motor primario dando como resultado la producción de un campo magnético rotatorio en la máquina, a su ve! este campo magnético induce en el devanado del estator volta$e de salida, cumpliéndose de esta forma la ley de araday. n esta máquina se tienen devanados en el rotor y en el estator, a los devanados del rotor también se le conoce como devanado de campo y al devanado del estator como devanado de inducido 6;57E 6;87. n la figura 8.;? se observa el rotor de un generador sincrónico una sección de corte.
igura 8.;? "iagrama decorte de una máquina síncrona grande. (%. -. /apman, Máquinas eléctricas, pág.
3." OBTENCION DEL CIRCUITO EQUIVALENTE DEL GENERADOR SÍNCRONO MONOFÁSICO Y TRIFÁSICO.
&ircuito equi-aente de a máquina sincrónica:
La eistencia de los e$es ficticios directo y en cuadratura permite modelar eléctricamente las variables del estator a través de la resistencia del estator y las reactancias del e$e directo y en cuadratura. 'articularmente, si el rotor es de polos salientes las reactancias en ambos e$es son diferentes y su cálculo supone un desarrollo comple$o como el presentado precedentemente. n el rotor cilíndrico, sin embargo, se define una &nica reactancia- PsGPdGPq por lo cual es posible establecer un circuito como el de la siguiente figura .
igura <. %ircuito equivalente por fase de la máquina sincrónica.
# partir de la figura se define-
"onde es la tensión inducida de la máquina 9e es la resistencia en los enrollados del estator. Ler es la inductancia mutua entre rotor y estator. 1e, 1r son el n&mero de vueltas de los enrollados de estator y rotor respectivamente. 9 es la reluctancia del circuito magnético. Hr es la corriente rotórica (de ecitación).
La regulación de volta$e un generador síncrono se define como la ra!ón de cambio del volta$e en las terminales de la máquina de este el volta$e en vacío asta plena carga. #sí la regulación de volta$e porcentual queda determinada por la siguiente epresión-
0+ N
+ sc V
pc 1 ;55
+ pc
La regulación de volta$e depende del tipo de carga conectada al generador, así para cargas resistivas e inductivas el volta$e en las terminales es menor al volta$e generado mientras que para una carga capacitiva, el volta$e en las terminales es mayor al volta$e generado. 'ara determinar la regulación de tensión se acude a los diagramas fasoriales que modelan los elementos del generador síncrono y que dependen del tipo de carga conectada. 3../ 0actor de potencia unitario.
%uando se conecta una carga resistiva al generador síncrono, se obtiene un factor de potencia unitario en la máquina y su diagrama fasorial se representa en la figura 8.;B. n la figura se aprecia que el volta$e las terminales de la máquina se encuentra en fase con la corriente de armadura, mientras que la caída de tensión en la reactancia de armadura se encuentra en cuadratura 6;57E6;87.
igura 8.;B "iagrama f asorial de un generador si ncrono con factor de p otencia a) en atraso y (b) en adelanto. (%. -. /apman, Máquinas eléctricas, pág. 23!. 3..1 0actor de potencia en atraso.
%uando se conecta una carga inductiva a la máquina (motores) se obtiene un factor de potencia en atraso o también denominado inductivo. l diagrama fasorial para este tipo de carga se observa en la figura 8.;D, donde se aprecia como una corriente de armadura se encuentra desfasada con un ángulo negativo respecto al volta$e en las terminales de la máquina, provocando de igual manera un desfasamiento en la caída de tensión debido a la resistencia de armadura y la caída de volta$e en la reactancia síncrona sigue estando en cuadratura con esta <ima.
igura 8.;D "iagrama fasorial de un generador sincrono con factor de potencia unitario. (%. -. /apman, Máquinas eléctricas, pág. 2#!. 3..3 0actor de potencia en adeanto.
n factor de potencia en adelanto se obtiene cuando se conecta a la máquina una carga capacitiva (capacitores o motor síncrono), también se denomina factor de potencia capacitivo. n la figura 8.;D se aprecia también el diagrama fasorial correspondiente a este tipo de carga. Se puede apreciar cómo aora la corriente de armadura está desfasada respecto al volta$e en las terminales por un ángulo positivo provocando también un desfasamiento de la caída de tensión en armadura y la caída de tensión en la reactancia síncrono sigue encontrándose en cuadratura respecto a la caída de volta$e de la armadura.
n generador síncrono es una máquina síncrona utili!ada para convertir energía mecánica en energía eléctrica, por lo tanto el rotor de esta máquina
está conectado a una fuente eterna que puede ser un motor de combustión interna, una turbina de vapor, una turbina de gas, una turbina idráulica o cualquier otro equipo similar. 'or lo tanto esta máquina entra en operación se producen pérdidas por rotación (pérdidas mecánicas y magnéticas), pérdidas en el cobre del devanado de armadura, pérdidas por ecitación del campo en el devanado de campo y las pérdidas por carga parásitas 6;57E 6;87. La figura 8.;I se puede observar el proceso desde la entrada de potencia mecánica asta la salida de potencia eléctrica en la máquina.
igura 8.;I "iagrama de flu$o de potencia de un generador sincrónico. (%. - . /apman, Máquinas eléctricas, pág. 24!.
#sí, la potencia mecánica de entrada es la potencia e$e en el generador, mientras que la potencia mecánica convertida en potencia eléctrica está dada por la siguiente epresión5 c on 6
ind m
8 7 cos
I
, siendo gama ( ) el ángulo entre el volta$e y la corriente.
La potencia eléctrica de salida real del generador síncrono queda determinado por5 sa l
8+ 8 I L c os
o en cantidades fasoriales 5 sal
8+ I
cos
La potencia reactiva de salida se obtiene utili!ando el triángulo de potencias, quedando9 sal 8+ 8 I L sen
o en cantidades fasoriales 9 I sen 8+ sal
l par desarrollado por un generador síncrono se opone al par aplicado por el primario y se puede epresar como8+ 7 sen m : % i n d
%omo sabemos la energía eléctrica de corriente alterna de generarse transmitirse distribuirse de manera eficiente y confiable, reduciendo tiempos de interrupción en la energía, por ello los esquemas eléctricos de potencia se configuran de tal forma que los generadores síncronos se conectan en paralelo para abastecer la gran demanda de potencia eléctrica de los usuarios 8. #lgunas de las ra!ones por las que se conectan en paralelo los generadores síncronos son 6;57E6;87"os o más generadores síncronos pueden abastecer una carga muco mayor que un solo generador.
#quí podemos encontrar grandes industrias, centros comerciales oteles, ospitales, casas abitación, etc.
l tener varios generadores síncronos, aumenta la confiabilidad del sistema, debido a la configuración que se tiene (en anillo), en caso de falla de alguno de ellos, se puede abastecer esa carga con los demás generadores conectados. l tener varios generadores síncronos facilita el mantenimiento preventivo en cualquiera de ellos. n caso que se tuviera un solo generador para abastecer toda la carga y esta no estuviera conectada al ;55N, provocaría una ba$a eficiencia de la máquina, en cambio al tener varios generadores de menor capacidad, &nicamente estarían traba$ando aquellos que fuera necesario. n la figura 8.;K se aprecia la coneión para la operación en paralelo de dos alternadores trifásicos.
igura 8.;K "iagrama de coneión para la operación en paralelo de dos alternadores. ($. %. &ur', ;Motores s
#ntes de conectar el generador síncrono en paralelo con otro o a un bus infinito, se debe de sincroni!ar, esto es* se debe verificar que se cumplan ciertas condiciones antes de su coneión, enseguida se indican estas condicionesl volta$e del generador debe ser igual al volta$e del sistema. La frecuencia eléctrica del generador debe ser igual a la frecuencia del sistema. l volta$e del generador de estar en fase con el volta$e del sistema, esto es que los ángulos de fase de las dos fases # deben ser iguales. La secuencia de fases del generador debe ser igual a la secuencia de fases del sistema. n la figura 8.?5, 8.?;, 8.?? y 8.?8 se aprecian un sincronoscopio, un frecuencímetro, un secuencímetro y un fasímetro que son los instrumentos utili!ados para la sincroni!ación del alternador.
igura 8.?5 Sincronoscopio análogo. (ircutor, ;%incronoscopios=, en catálogo> Inst rument aci ?n anal?gica, (Int ernet !.
igura 8.?; recuencímetro análogo. (ircutor, ;@recuenc Inst rument aci ?n anal?gica, (Int ernet !.
igura 8.?? Secuencímetro. (ircutor, ;%ecuenc Ins t rument aci ?n anal?gica, (Int ernet !
