Capitulo 4- Maquinas Sincrónicas.pptx

Maquinas asincronica, presentacion de la materia de Electricidad

1. Máquinas Sincrónicas

2. Generalidades Principio de funcionamiento - Rotor con corriente continua: induce campo magnético rotatorio de magnitud proporcional a la corriente de campo. - Se induce tensión en los enrollados del estator: flujo variable.

3. La máquina síncrona: generalidades I La máquina síncrona utiliza un estator constituido por un devanado trifásico distribuido a 120º idéntico a la máquina asíncrona El rotor está formado por un devanado alimentado desde el exterior a través de escobillas y anillos rosantes mediante corriente continua El rotor puede ser liso o de polos salientes Industrialmente es el generador utilizado en la mayoría de las centrales eléctricas: turboalternadores y grandes alternadores hidráulicos Como motor se usa principalmente cuando se requiere corregir factor de potencia, o bien en aplicaciones de velocidad estrictamente constante

4. La máquina síncrona: generalidades II Elevadas velocidades de giro: turboalternadores Velocidades de giro bajas Rotor de polos salientes Rotor liso

5. Generalidades Característica de tensión Tensión inducida en bornes es función de la velocidad y amplitud del campo magnético rotatorio. La curva satura a medida que se satura el núcleo. En zona lineal: E fn = G w I f .

6. Generalidades Observaciones: La frecuencia de las corrientes y tensiones siempre corresponde a la sincrónica: w elec = w mec * ( n°polos /2) Si la máquina sincrónica está conectada a la red (barra infinita), su velocidad queda fija según la frecuencia de la red. La máquina sincrónica solo presenta torque no nulo a velocidad síncrona. Para efectos del modelo, despreciamos la resistencia de estator y usamos solo la reactancia sincrónica.

7. Máquinas de polos salientes Físicamente los polos (N-S) sobresalen. Inductancia mutua rotor – estator no es constante. Más complejidad al modelar inductancias. En general se usan máquinas de polos salientes con varios polos (por ejemplo 36), en generadores hidráulicos. Operan a baja velocidad y poseen rotores de gran diámetro.

8. Máquinas de polos salientes

9. Máquinas de rotor cilíndrico Rotor liso. Inductancia mutua rotor – estator es constante. La simetría del rotor facilita la modelación de la máquina. Estudiaremos modelo de la máquina de rotor cilíndrico En general se usan máquinas de rotor cilíndrico, con pocos polos (2, 4 o 6), en generadores térmicos operando a alta velocidad. A esta velocidad las pérdidas por roce se reducen en un rotor liso. Poseen rotores alargados y de poco diámetro.

10. Máquinas de rotor cilíndrico

11. Modelo del generador síncrono ¡Recordar que estamos usando el modelo en p.u., con tensiones entre fases y potencia trifásica! Luego, la corriente calculada es corriente de línea (multiplicando por la corriente base) y la potencia aparente es trifásica (multiplicando por la base respectiva).

12. Modelo del generador síncrono Generador “Sobre-excitado” j < 0, d > 0 I en atraso Generador inductivo Factor de potencia en atraso Q gen > 0 Generador “Sub-excitado” j > 0, d > 0 I en adelanto Generador capacitivo Factor de potencia en adelanto Q gen < 0

13. Modelo del motor síncrono

14. Modelo del motor síncrono Motor “Sobre-excitado” j > 0, d < 0 I en adelanto Motor capacitivo Factor de potencia en adelanto Q con < 0 Motor “Sub-excitado” j < 0, d < 0 I en atraso Motor inductivo Factor de potencia en atraso Q con > 0

15. Motores síncronos Catálogos comerciales

16. Generadores síncronos I  L. Serrano: Fundamentos de máquinas eléctricas rotativas  L. Serrano: Fundamentos de máquinas eléctricas rotativas  L. Serrano: Fundamentos de máquinas eléctricas rotativas

17. Generadores síncronos II  L. Serrano: Fundamentos de máquinas eléctricas rotativas  Mulukutla S. Sarma: Electric machines

18. Corte transversal de una central hidráulica Rotor  Mulukutla S. Sarma: Electric machines

19. ESTATOR= Devanado trifásico distribuido alimentado con un sistema trifásico de tensiones ROTOR= Devanado alimentado con corriente continua que crea un campo magnético fijo CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO INTERACCIÓN ROTOR - ESTATOR PAR MOTOR Y GIRO DE LA MÁQUINA Principio de funcionamiento: motor EL ROTOR GIRA A LA MISMA VELOCIDAD QUE EL CAMPO: VELOCIDAD DE SINCRONISMO Controlando la excitación (tensión de alimentación del rotor) se consigue que la máquina trabaje con cualquier factor de potencia: PUEDE ABSORBER O CEDER Q

20. ESTATOR= Devanado trifásico distribuido conectado a la carga o red que se desea alimentar ROTOR= Devanado alimentado con corriente continua que crea un campo magnético fijo. Se hace girar por un medio externo TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA EN ENERGÍA ELÉCTRICA Principio de funcionamiento: generador Para conectar el generador a una red es necesario que gire a la velocidad de sincronismo correspondiente a la frecuencia de dicha red Controlando la excitación (tensión de alimentación del rotor) se consigue que la máquina trabaje con cualquier factor de potencia: PUEDE ABSORBER O CEDER Q El campo creado por el rotor, al girar, induce FEM en el estator y, por tanto, hace circular corriente por la carga P=PARES DE POLOS N=VELOCIDAD DE GIRO

21. Circuito equivalente (por fase) de la máquina síncrona La FEM E es proporcional a la corriente de excitación del rotor. En fun-cionamiento como generador representa a la tensión que se induce en el estator y en funcionamiento como motor a la fuerza contraelectro-motriz que es necesario “vencer” para que circule la corriente que alimenta al motor Funcionamiento como motor Funcionamiento como generador Reactancia síncrona= reactancia dispersión estator+efecto de reacción de inducido Reactancia síncrona Resistencia estator

22. El generador síncrono en vacío Reactancia síncrona Funcionamiento como generador Resistencia estator Tensión en vacío V Cuando el generador trabaja en vacío no hay caída de tensión: la tensión de salida coincide con la FEM E VELOCIDAD DE GIRO FLUJO (por polo) PROPORCIONAL A I EXC

23. El generador síncrono en carga: reacción de inducido I Cuando el alternador trabaja en vacío el único flujo existente es el producido por la corriente continua de excitación del rotor E l flujo total de la máquina se verá disminuido o aumentado dependiendo que la carga sea inductiva o capacitiva C uando suministra corriente a una carga, dicha corriente produce un campo magnético giratorio al circular por los devanados del estator. Este campo produce un par opuesto al de giro de la máquina, que es necesario contrarrestar mediante la aportación exterior de potencia mecánica. A este efecto creado por el campo del estator se le conoce con el nombre de “ reacción de inducido”

24. Funcionamiento como generador Carga El generador síncrono en carga II PARA UNA MISMA TENSIÓN DE SALIDA EL GENERADOR PUEDE CEDER O ABSORBER POTENCIA REACTIVA DEPENDIENDO DE QUE LA CARGA SEA INDUCTIVA O CAPACITIVA Para conseguirlo basta modificar el valor de la E (modificando la corriente de campo)

25. El generador síncrono en carga: funcionamiento aislado EL GENERADOR ALIMENTA A UNA CARGA DE FORMA INDEPENDIENTE FUNCIONAMIENTO AISLADO La tensión de alimentación puede variar El factor de potencia de la carga es fijo Aumento en la excitación Aumento en la tensión de salida Aumento en potencia mecánica Aumento en la velocidad de giro Aumento en la frecuencia

26. El generador síncrono en carga: conexión a red de P. infinita EL GENERADOR ESTÁ CONECTADO A OTRA RED EN LA QUE ACTÚAN OTROS GENERADORES: SU POTENCIA ES MUY PEQUEÑA RESPECTO DE LA TOTAL DE LA RED CONEXIÓN A RED DE POTENCIA INFINITA La tensión de alimentación ESTÁ FIJADA POR LA RED La frecuencia ESTÁ FIJADA POR LA RED Aumento en la excitación Aumento en la POTENCIA REACTIVA ENTREGADA Aumento en potencia mecánica Aumento de la POTENCIA ACTIVA ENTREGADA

27. SOBREXCITACIÓN SUBEXCITACIÓN LA TENSIÓN U ESTÁ FIJADA POR LA RED NORMAL GENERADOR SUBEXCITADO GENERADOR SOBREXCITADO AUMENTO CORRIENTE AUMENTO DEL ÁNGULO  AUMENTO DE LA POTENCIA REACTIVA SUMINISTRADA REDUCCIÓN DE LA POTENCIA REACTIVA SUMINISTRADA

28. Operación en 4 cuadrantes

29. Variación de la velocidad en los motores síncronos Motores gran potencia INVERSORES CICLOCONVERTIDORES Motores baja potencia UTILIZACIÓN DE EQUIPOS ELECTRÓNICOS El motor síncrono gira a la velocidad de sincronismo 60*f/p PARA VARIAR LA VELOCIDAD ES NECESARIO VARIAR LA FRECUENCIA DE ALIMENTACIÓN APLICACIONES DE ELEVA-DA POTENCIA (>1 MW): GRANDES MÁQUINAS (Soplantes, compresores, etc.) Y PROPULSIÓN ELÉCTRICA BUQUES

30. Diagrama de flujo de potencia de un generador síncrono .

31. Conexión o acoplamiento de alternadores en paralelo La aplicación de alternadores en paralelo es con la finalidad suministrar mayor potencia cuando se requiere una mayor demanda de carga en un sistema eléctrico. Para poder llevar acabo el emparalelamiento de alternadores se debe de cumplir con las siguientes condiciones: 1. - Los voltajes rms de línea de los alternadores en paralelo deben de ser iguales. 2. - Los alternadores en paralelo deben de tener la misma secuencia de fase. 3. - Los ángulos de fases de los alternadores deben de ser iguales. 4. - La frecuencia de los alternadores deben de ser iguales.

32. Alternador en paralelo con la red eléctrica

33. Procedimiento de acoplamiento . 1.- Se lleva la máquina A 2 hasta una velocidad próxima a la de sincronismo. 2.- Se excita la máquina A 2 de forma que el voltímetro U 2 indique mismo valor que el voltímetro U 1 . 3.- Controlamos la velocidad de A 2 para que la frecuencia f 2 sea aproximadamente igual a la frecuencia “ f 1 ” de la red eléctrica . 4.- Se comprueba que las lámparas se enciendan y apaguen simultáneamente. “Si se encienden y se apagan alternadamente es preciso cambiar dos conexiones ”. 5.- Se cierra el interruptor de acoplamiento cuando el apagado de las lámparas dure unos 3 segundos.

34. CURVA DE CAPABILIDAD La curva de capabilidad de un generador se deriva de manera simplificada sin tomar en cuenta el efecto de saturación y despreciando la resistencia y capacitancia en los devanados. Cuando la máquina síncrona opera en sus valores nominales, es decir; valores a los cuales los devanados y el núcleo alcanzan la temperatura de régimen de diseño, se obtienen las fronteras de la región de operación dentro de la cual la máquina no sufre daño ni envejecimiento prematuro.

35. Curva de capabilidad del generador de polos lisos Límite de corriente de campo Recordando: Entonces: Rotor: Límite de calentamiento de cabezales o de subexcitación Límite máximo de la fuente de energía mecánica Límite mínimo de la fuente de energía mecánica Límite de corriente en el estator Estator: Límite práctico de estabilidad

36. Curva de capabilidad del generador de polos salientes Recordando: Estator: Rotor: A B C Ángulo : Voltaje interno: Ángulo máximo :

37. Curva de capabilidad del generador de polos salientes Límite practico de estabilidad (margen de 10%) Límite de corriente en el estator Circulo de reluctancia Límite de corriente de campo Límite teórico de estabilidad permanente Límite práctico de estabilidad permanente 10%

38. Condensador Síncrono Suponiendo: Generador sobreexcitado: Generador subexcitado: Lugares geométricos de potencia constante para : E, I Generador con excitación normal: