MÁQUINAS

ELÉCTRICAS
SÍNCRONAS

Henrry Caticuago
 Turbinas Hidráulicas

Pelton Francis Kaplan

 Turbinas Hidráulicas

Pelton Francis Kaplan

Placa de una turbina hidráulica
Turbina de vapor
 Campos giratorios. Teorema de Ferraris
• Tres (3) tensiones trifásicas (120 º) con tres (3) devanados defasados a 120º
eléctricos.

J.F.A.
6
 Campos giratorios. Teorema de Ferraris
R R S T
I(t)

S’ T’

T S

0º 90º 180º 270º 360º

R’
• Tres (3) grupos de bobinas RR’, SS’ y TT’
• R, S, T corrientes salientes del plano de la lámina.
• R’, S’, T’ corrientes entrantes.
• Los devanados llevan corrientes defasadas 120° en el tiempo y que los
devanados están defasados 120° eléctricos en el espacio.
 Campos giratorios. Teorema de Ferraris

• La onda de FMM (B) resultante en el entrehierro será igual a la suma de las tres
(3) ondas pulsatorias (B1, B2, B3).
• La FMM en el entrehierro será: FMM = 3/2 F m cos (ω t – θ)
• La FMM varía en función del tiempo según una sinusoide de amplitud (3/2 F m) y en
el mismo instante de tiempo esta distribuida sinusoidalmente en el entrehierro.
• En consecuencia, la expresión anotada, tiene el carácter de una onda que se
mueve alrededor del entrehierro, es una FMM giratoria.
 Campos giratorios. Teorema de Ferraris

• Ns y Nr es la velocidad igual a la velocidad de giro de la FMM en el

entrehierro que se denomina velocidad sincronismo.

Velocidad del
campo
magnético del
estator
Estator

Velocidad del
Rotor
rotor

pn
f  Velocidad de
60 SINCRONISMO
 Campos giratorios. Teorema de Ferraris

• El rotor del generador es accionado por un motor primario

• Una corriente continua que fluye en el devanado del rotor, produce un

campo magnético que rota dentro de la máquina

• El campo magnético rotatorio induce una tensión trifásica en el estator

del generador

La frecuencia eléctrica de la red está sincronizada con la velocidad

mecánica de rotación del generador síncrono, a través de la expresión:
pn
f 
60
En dónde:

f = es la frecuencia eléctrica, Hz
p = es el número de pares de polos del generador
n = es la velocidad del rotor, rpm
 Uso de máquinas eléctricas síncronas
• Los generadores sincrónicos (síncronos) o alternadores son utilizados
para convertir energía mecánica (derivada del vapor, del gas, o de turbinas
hidráulicas) en energía eléctrica CA.

• Los generadores sincrónicos son la fuente principal de energía actualmente

en la industria eléctrica.
 Máquinas 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 Estator con polos salientes y
polos salientes rotor cilíndrico
Configuraciones básicas del estator rotor

Máquinas sincrónicas
 Configuraciones básicas del estator rotor
Rotor polos salientes (inductor) Devanados del estator (inducido)

Polos salientes Polos lisos

 Máquina de polos salientes

En aquellas turbinas hidráulicas que giran a baja velocidad (entre 50

y 300 rpm), se requiere de un gran número de polos en el rotor.

Entrehierro
no uniforme Sentido de las
corrientes por
el rotor
S

N N

S
 Máquina polos lisos (rotor cilíndrico)

Turbina Generador D»1m

L » 10 m
Vapor o
gas

Devanado del Estator

N
Estas máquinas son de alta Entrehierro
velocidad: 3.600 rpm para 2 polos, y,
Estator
1.800 rpm para 4 polos.
Devanado del Rotor
Los conductores se enfrían con
hidrógeno o con agua. Rotor

Generan sobre los 2.000 MVA 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
 Pérdidas
n
En el cobre: debido a la resistencia de
los conductores al paso de la corriente Pcu   Ri I i
2

eléctrica. i 1

En el hierro: pérdidas por histéresis y

pérdidas por corrientes de Foucault
PFE  PH  PF
(parásitas).

fricción
ventilación
Mecánicas: debido al rozamiento de
los cojinetes, a la fricción de las Pm  A * n  B * n 3
escobillas y a la ventilación
(rozamiento del aire).

Pérdidas fijas (no varían con la carga

de la máquina) y pérdidas variables
(varía con la carga como la corriente Pfijas  PFE  Pm Pvar iables  Pcu
eléctrica)
Placa de características eléctricas
Placa de características eléctricas
 Principio de funcionamiento
Máquinas síncronas
• Un generador sincrónico tiene dos partes activas:

- Un rotor (devanado inductor concentrado o distribuido en ranuras)

excitado por DC.
- Un estator (devanado inducido distribuido formando un
arrollamiento trifásico), en el que se genera una fuerza
electromotriz AC.

• En máquinas pequeñas < 10 kVA, el devanado inductor esta en el

estator.

• En máquinas grandes que pueden llegar a 1.000 – 1.500 MVA la

colocación de los devanados es inversa.

• La manera en que las partes activas de una máquina sincrónica se

enfrían, determina su tamaño y su estructura.
Principio de funcionamiento
Máquinas síncronas

V
E0 V
Fotografías máquinas síncronas
Fotografías máquinas síncronas
 Sistemas de excitación

Sistema de excitación con dínamo excitatriz

Sistema de excitación electrónico

 Funcionamiento con carga
Reacción del inducido

ФR Ф Ф
Ф
ФR
ФR
 Curvas características de un alternador
para distintos tipos de cargas

Corriente de
Voltaje en
excitación
bornes

Corriente Corriente
de carga de carga

Corriente de
corto circuito

1. Corriente de excitación constante, y 1. Voltaje en la carga constante, y

2. carga variable 2. carga variable
 Máquina con rotor cilíndrico
Circuito equivalente

Xs = Xδ + Xp (reactancia síncrona)
Zs = R + j Xs (impedancia síncrona)

Eo = fem en vacío, (V)

V = voltaje en bornes de máquina síncrona (V)
R = resistencia del inducido por fase (ohm)
Xs = reactancia síncrona por fase (ohm)
Xδ = reactancia de dispersión por fase (ohm)
Xp = reactancia de reacción del inducido (ohm)
I = intensidad de corriente (A)
Φ = ángulo de desfasamiento de la carga
 Funcionamiento Alternador en red aislada
• La cantidad de redes aisladas son mínimas.
• Cuando el generador está funcionando aisladamente de un sistema eléctrico (o
sea, está en una isla de potencia), la excitación del campo controla la tensión
eléctrica generada.
• El funcionamiento del generador (características de operación) varía 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 excitatriz (Ie).
 Funcionamiento Alternador en red aislada
• La máquina primaria (turbina) tiene un regulador de velocidad que actúa
sobre la entrada del agua en turbinas hidráulicas, manteniendo
constante la velocidad y por tanto la frecuencia.
 Funcionamiento Alternador en red aislada

• Regulador de tensión incorporado a la excitatriz para variar la corriente de

campo lo que permite controlar la tensión de salida.
• Regulador de velocidad actúa sobre la entrada del caudal de agua (turbina
hidráulica), permitiendo controlar la velocidad y por consiguiente la frecuencia.
Regulador de velocidad
 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.
• Para abastecer la demanda se conectan varios grupos de generadores en
paralelo. La red así constituida “equivale” a un generador gigantesco en el que
prácticamente la tensión y frecuencia se mantienen constantes.
 Alternador acoplado al SNI

• En Ecuador la capacidad instalada (efectiva) en generación es de 7.643 MW

(marzo-2017).
Infraestructura del SNI
al 2017
 Alternador acoplado al SNI

• En Ecuador la capacidad instalada (efectiva) en generación es de 7.643 MW

(marzo-2017).
CENTRALES HIDROELÈCTRICAS

Coca Codo Sinclair 1500 MW

Sopladora 487 MW

Minas San Francisco

275 MW

Delsitanisagua
180 MW
 Alternador acoplado a la red

• La conexión en paralelo de un alternador (generador) implica una serie de

operaciones complejas que se denomina sincronización de la máquina.
• Para sincronizar 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'  2 2VF senω 0 t * senω b t
ω  ω'
ωo  ω y ωb  Con frecuencia de 60 Hz – RED (S. N.I. - ω)
2

Con frecuencia de 58 Hz – Generador (ω’)

Inyección de potencia
y energía a la red de

ωo V/V’
CA

ω’ f/f’

Vo
S

A2
CC
 Alternador acoplado a la red

• Condiciones para acoplar en paralelo un alternador:

1) Las frecuencias de ambas tensiones deben ser iguales.

2) La tensión del generador debe tener un valor eficaz igual a la tensión de la
red y sus fases deben coincidir.
3) Identidad de fases (R-R’; S-S’; T-T’)
4) Las secuencias de fases del alternador y la red deben ser idénticas.
 Alternador acoplado a la red

Lámparas de
sincronización
 Proceso de sincronización

1. Llevar la máquina A2 hasta una velocidad próxima a la de sincronismo.

2. Excitar la máquina A2 de forma que el voltímetro U2 indique el mismo valor que el

voltímetro U1.

3. Comprobar que las lámparas se enciendan y apaguen simultáneamente (máximos y

mínimos simultáneos). Si se presenta luces giratorias es preciso cruzar dos conexiones.

4. Actuar sobre la velocidad de A2 para ir reduciendo el parpadeo. Usar el interruptor de

acoplamiento cuando el apagado de las lámparas dure unos 4 a 5 segundos.

Cuando las agujas se para en

“0” las frecuencias son iguales
y cuando las frecuencias
difieren la aguja gira en uno o
en otro sentido.
 Proceso de sincronización

1. Llevar la máquina A2 hasta una velocidad próxima a la de sincronismo.

2. Excitar la máquina A2 de forma que el voltímetro U2 indique el mismo valor que el

voltímetro U1.

3. Comprobar que las lámparas se enciendan y apaguen simultáneamente (máximos y

mínimos simultáneos). Si se presenta luces giratorias es preciso cruzar dos conexiones.

4. Actuar sobre la velocidad de A2 para ir reduciendo el parpadeo. Usar el interruptor de

acoplamiento cuando el apagado de las lámparas dure unos 3 segundos.

HIDRO TERMO NUCLEAR DERIVADO

LINEA DE TRANSMISION
A OTRAS ZONAS
GEOGRAFICAS

TRAFO TRAFO TRAFO TRAFO

BARRA
INFINITA
230 kV

CENTRO CENTRO
DE DE
CARGA CARGA