Unidad 3 Maquinas Sincronas
Unidad 3 Maquinas Sincronas
Unidad 3 Maquinas Sincronas
3.3.1EXITACION NORMAL
3.3.2 SUBEXCITACIN
3.3.3 SOBREEXCITACIN
3. Introduccin
Las mquinas de corriente continua y de induccin tienen un amplio rango de
aplicaciones industriales tales como traccin, bombeo, control y otros. Sin embargo,
la operacin del sistema elctrico de potencia requiere la conversin de grandes
cantidades de energa primaria (petrleo, gas natural, agua, carbn, uranio), en
energa y potencia elctrica. La energa elctrica puede ser transportada y
convertida en otras formas de energa en forma limpia y econmica. La mquina
sincrnica es hoy por hoy, la ms ampliamente utilizada para convertir grandes
cantidades de energa elctrica y mecnica.
Dependiendo del sistema mecnico de accionamiento, las mquinas sincrnicas
pueden construirse de rotor liso cuando deban operar en altas velocidades, o con
rotor de polos salientes cuando son accionadas a menor velocidad.
Aun cuando un gran porcentaje de mquinas sincrnicas son utilizadas como
generadores en las plantas de produccin de energa elctrica, debido
fundamentalmente al alto rendimiento que es posible alcanzar con estos
convertidores y a la posibilidad de controlar la tensin, en numerosas ocasiones se
emplea industrialmente como elemento motriz. Como otros convertidores
electromecnicos, la mquina sincrnica es completamente reversible y se
incrementa da a da el nmero de aplicaciones donde puede ser utilizada con
grandes ventajas, especialmente cuando se controla mediante fuentes electrnicas
de frecuencia y tensin variable.
Para que la mquina sncrona sea capaz de efectivamente convertir
energa mecnica aplicada a su eje, es necesario que el enrollamiento de campo
localizado en el rotor de la mquina sea alimentado por una fuente de
tensin continua de forma que al girar el campo magntico generado por los polos
del rotor tengan un movimiento relativo a los conductores de los enrollamientos del
estator.
Las mquinas sincrnicas
La mquina sincrnica es un convertidor electromecnico de energa con una pieza
giratoria denominada rotor o campo, cuya bobina se excita mediante la inyeccin de
una corriente continua, y una pieza fija denominada estator o armadura por cuyas
bobinas circula corriente alterna. Las corrientes alternas que circulan por los
enrollados del estator producen un campo magntico rotatorio que gira en el
entrehierro de la mquina con la frecuencia angular de las corrientes de armadura.
El rotor debe girar a la misma velocidad del campo magntico rotatorio producido en
el estator para que el torque elctrico medio pueda ser diferente de cero. Si las
velocidades angulares del campo magntico rotatorio y del rotor de la mquina
sincrnica son diferentes, el torque elctrico medio es nulo. Por esta razn a esta
mquina se la denomina sincrnica; el rotor gira mecnicamente a la misma
frecuencia del campo magntico rotatorio del estator durante la operacin en
rgimen permanente.
Se utilizan en mayor medida como generadores de corriente alterna que
como motores de corriente alterna, ya que no presentan par de arranque y hay que
emplear diferentes mtodos de arranque y aceleracin hasta la velocidad de
sincronismo. Tambin se utilizan para controlar la potencia reactiva de la red por su
2
Una mquina sncrona es una maquina elctrica rotativa de corriente alterna cuya
velocidad de giro en rgimen permanente est ligada con la frecuencia de la tensin
en bornes y el nmero de pares de polos.
Donde:
f: Frecuencia de la red a la que est conectada la mquina (HZ)
P: Nmero de pares de polos que tiene la mquina
p: Nmero de polos que tiene la mquina
n: Velocidad de sincronismo de la mquina (revoluciones por minuto)
Maquinas Sincrnicas: Los maquinas sncronas son un tipo de motor de corriente
alterna. Su velocidad de giro es constante y depende de la frecuencia de la tensin
de la red elctrica a la que est conectada y por el nmero de pares de polos del
motor, siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo". Este tipo de
motor contiene electro magnetos en el estator del motor que crean un campo
magntico que rota en el tiempo a esta velocidad de sincronismo. En trminos
prcticos, las mquinas sincrnicas tienen su mayor aplicacin en potencias
elevadas, particularmente como generadores ya sea a bajas revoluciones en
centrales hidroelctricas, o bien a altas revoluciones en turbinas de vapor o gas.
Cuando la mquina se encuentra conectada a la red, la velocidad de su eje depende
directamente de la frecuencia de las variables elctricas (voltaje y corriente) y del
nmero de polos. Este hecho da origen a su nombre, ya que se dice que la mquina
opera en sincronismo con la red. Por ejemplo, una mquina con un par de polos
conectada a una red de 50 [Hz] girar a una velocidad fija de 3000 [RPM], si se
tratara de una mquina de dos pares de polos la velocidad sera de 1500 [RPM] y
as sucesivamente, hasta motores con 40 o ms pares de polos que giran a
bajsimas revoluciones. En la operacin como generador desacoplado de la red, la
frecuencia de las corrientes generadas depende directamente de la velocidad
mecnica del eje. Esta aplicacin ha sido particularmente relevante en el desarrollo
de centrales de generacin a partir de recursos renovables como la energa elica.
Las mquinas sincrnicas tambin se emplean como motores de alta potencia
(mayores de 10.000 [HP]) y bajas revoluciones. Un ejemplo particular de estas
aplicaciones es al interior de la industria minera como molinos semiautgenos
(molinos SAG) o como descortezadores de la industria maderera.
representan las terminales de lnea (al sistema) T4, T5, T6 son las terminales que
unidas forman el neutro.
Rotor:
Es la parte de la mquina que realiza el movimiento rotatorio, constituido de
un material ferromagntico envuelto en un enrollamiento llamado de
"enrollamiento de campo", que tiene como funcin producir un campo magntico
constante as como en el caso del generador de corriente continua para
interactuar con el campo producido por el enrollamiento del estator.
La tensin aplicada en ese enrollamiento es continua y la intensidad de la
corriente soportada por ese enrollamiento es mucho ms pequeo que el
enrollamiento del estator, adems de eso el rotor puede contener dos o ms
enrollamientos, siempre en nmero par y todos conectados en serie siendo que
cada enrollamiento ser responsable por la produccin de uno de los polos del
electroimn.
Sistema de enfriamiento.
1. Generadores enfriados por aire:
Estos generadores se dividen en dos tipos bsicos: abiertos ventilados
y completamente cerrados enfriados por agua a aire.
Los generadores de tipo OV fueron los primeros construidos, el aire en
este tipo de generadores pasa slo una vez por el sistema y considerable
cantidad de
Excitacin
normal.
En este caso se supone que el motor estar trabajando con una excitacin normal
y constante. Como sabemos, la velocidad del motor sncrono no puede variar al
conectarse la carga debido a que este se encuentra funcionando a velocidad de
sincronismo, sin embargo si se produce una pequea variacin en el ngulo
del par como se aprecia en la figura 3.6. El ngulo que se aprecia en la figura es
, y representa el desplazamiento mecnico del rotor en relacin al estator.
potencia
tiende a aumentar ligeramente sin embargo su retraso no es en
forma considerable [1], [2], [3] y [7].
3.3.3 Sobreexcitacin.
El ltimo caso es cuando se trabaja al motor sncrono con una sobreexcitacin es
decir Egp > Vp. En este caso cuando la carga es pequeo el voltaje resultante
Er1tiene un pequeo desfasamiento respecto a Egp y la corriente en la armadura
Ia1 se encuentra en cuadratura, sin embargo a medida que se suministra una
mayor carga al motor se observa como el ngulo de factor de potencia
mejora, acercndose a la unidad.
2.
3.
4.
de
Una carga de 500 kVA funciona con factor de potencia igual a 0.75 en retraso. Se
desea agregar al sistema un motor sncrono de 200 HP con una eficiencia de 88%
y llevar a la carga total final del sistema a un fp igual a 0.85 en retraso. Calcular
a) Los kVA y el ftp del sistema con el motor agregado.
b) La capacidad del motor cinco en kVA y el ftp al cual trabaja.
Solucin:
kW originales = 500 kVA x 0.75=375 kW
kVAR originales= 500 kVA x tan = 440 kVAR
kW del
motor
sincro
no
200x7
46
1000x0.
88
69 .5 kW
544 .
5
40 .5 kVA
0.
85
FP
finales
del
sistema
544 .
5
0 .85 en atraso
640 .
5
kVAR del motor sncrono= kVAR finales - kVAR originales = 440 kVAR - 361 kVAR
= 69 kVAR
kVA del motor sncrono = 169.5 - j69 = 183
22
3.6
Principio
de
funcionamiento
construccin
del
generador sincrnico.
Donde:
E es la tensin inducida de la mquina
Re es la resistencia en los enrollados del estator.
Ler es la inductancia mutua entre rotor y estator.
Ne, Nr son el nmero de vueltas de los enrollados de estator y rotor
respectivamente.
R es la reluctancia del circuito magntico.
Ir es la corriente rotrica (de excitacin).
RV %
V sc
pc
x100
V pc
La regulacin de voltaje depende del tipo de carga conectada al generador, as
para cargas resistivas e inductivas el voltaje en las terminales es menor al voltaje
generado mientras que para una carga capacitiva, el voltaje en las terminales es
mayor al voltaje generado.
Para determinar la regulacin de tensin se acude a los diagramas fasoriales que
modelan los elementos del generador sncrono y que dependen del tipo de carga
conectada.
3.8.1 Factor de potencia unitario.
Cuando se conecta una carga resistiva al generador sncrono, se obtiene un
factor de potencia unitario en la mquina y su diagrama fasorial se representa en
la figura 3.16.
En la figura se aprecia que el voltaje las terminales de la mquina se encuentra en
fase con la corriente de armadura, mientras que la cada de tensin en la
reactancia de armadura se encuentra en cuadratura [10]-[13].
F
igura 3.16 Diagrama
f
asorial de un generador
si
ncrono con factor de
p
otencia a) en atraso y
(b) en adelanto. (S. J. Chapman, Mquinas elctricas, pg. 280).
3.8.2 Factor de potencia en atraso.
est conectado a una fuente externa que puede ser un motor de combustin
interna, una turbina de vapor, una turbina de gas, una turbina hidrulica o
cualquier otro equipo similar.
Por lo tanto esta mquina entra en operacin se producen prdidas por rotacin
(prdidas mecnicas y magnticas), prdidas en el cobre del devanado de
armadura, prdidas por excitacin del campo en el devanado de campo y las
prdidas por carga parsitas [10]- [13].
La figura 3.18 se puede observar el proceso desde la entrada de potencia
mecnica hasta la salida de potencia elctrica en la mquina.
ind
m
3EAIA
cos
La potencia elctrica de salida real del generador sncrono queda determinado por:
P
sa
l
3VT I L
cos
o en cantidades
fasoriales Psal
3V I A cos
mXS