Máquinas síncronas
Por: Ing. César Chilet
Temario
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28/08/2010
Introducción. Generador síncrono. Motor síncrono. Compensador síncrono.
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Introducción
Síncrona • El campo magnético giratorio creado por el devanado del estator gira a la velocidad síncrona. • El rotor gira a la misma velocidad del campo giratorio. 28/08/2010
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Formas de operar • Generador. • Motor. • Compensador síncrono (Reactor o capacitor variable)
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Formas de operar
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Generador síncrono
Generador síncrono Primo Motor (Entrada Mecánica)
Gen
Ia Ib Ic
3-Ø Salida Eléctrica
Fuente DC de campo
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Tipos de generadores síncrono
Rotor cilíndrico 28/08/2010
Rotor de polos salientes
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Generador de polos salientes Este tipo de generadores, son movidos por turbinas hidráulicas, son de gran cantidad de polos (por ejemplo 32, 16 polos), y de baja velocidad. 28/08/2010
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Generador de polos lisos • Este tipo de generadores posee generalmente dos polos, presentando un entrehierro prácticamente uniforme. Son de alta velocidad y son movidos por turbinas a gas y/o petróleo.
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Generador de rotor cilíndrico
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Generador de rotor cilíndrico
(hierro transparente)
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Generador con rotor cilíndrico
(hierro transparente, vista de una sola fase)
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Máquina de rotor cilíndrico
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Máquina de rotor cilíndrico
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Generador con rotor de polos salientes
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Generador con rotor de polos salientes (hierro transparente)
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Máquina de polos salientes
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Conjunto turbina-generador-excitatrices
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Principio básico de funcionamiento
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Modelo en régimen permanente Máquina polos lisos
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Ángulo de potencia δ en el espacio y en el tiempo
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Diagrama fasorial
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Diagrama fasorial
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El alternador con carga • Al cargar un alternador, habrá un efecto sobre la tensión de salida. • El efecto sobre el generador dependerá de la magnitud y factor de potencia de la carga. • Las cargas resistivas e inductivas causan desmagnetización del generador, siendo mayor el efecto de las cargas inductivas. • Las cargas capacitivas magnetizan al generador elevando la tensión en terminales al aumentar la carga. 28/08/2010
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Alternador con carga • La tensión en terminales en función al tipo y tamaño de la carga • La tensión en terminales Ua es menor que Ea para carga R, L o R-L; siendo mayor para cargas capacitivas. 28/08/2010
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Regulación de tensión • Es la caída o elevación de la tensión que se produce internamente, debido a la carga (I.Zs). • Se expresa como porcentaje de la tensión en terminales.
Ea − U a x 100 U reg % = U a
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Modelo en régimen permanente Máquina polos salientes. Reacción de inducido diferente en ejes d y q
j Xq
jX q. Ia
.Iaq
δ
ϕ
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Valores típicos y rangos de variación por unidad de parámetros de generadores síncronos
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Potencia suministrada por el generador Rotor cilíndrico
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Potencia suministrada por el generador Rotor cilíndrico
Con la simplificación R = 0, y separando parte real e imaginaria:
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Ecuación potencia-ángulo P (p.u.)
• Cuando la potencia de la carga aumenta, el desfasaje angular entre el eje magnético del campo creado por el rotor y el eje magnético del campo creado por el estator (ángulo de potencia δ), se incrementa. 28/08/2010
Zona de operación
1,0 Zona inestable
0,77
0,34
20°
50°
PG =
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90°
δ
Ea ⋅ U a ⋅ Sen(δ ) XS 33
Potencia suministrada por el generador Rotor de polos salientes
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Potencia suministrada por el generador Rotor de polos salientes
Separando parte real e imaginaria:
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Potencia suministrada por el generador Rotor de polos salientes
• En líneas de segmentos están dibujadas las curvas correspondientes al primer término (la fundamental) y al segundo término (la segunda armónica). 28/08/2010
Curva Potencia-ángulo para una máquina de polos salientes
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Potencia suministrada por el generador Rotor de polos salientes
El segundo término de (PG): • Se denomina componente de reluctancia o de saliencia y es pequeño comparado con el primero (10 a 20%). • No depende de la excitación Ea y por ello existe aunque la corriente de excitación sea nula. • Para corrientes de excitación grandes no se comete un error importante al despreciarlo. 28/08/2010
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Potencia suministrada por el generador Rotor de polos salientes
• Si la máquina está conectada a una barra infinita: Ua =cte; Ea = f(corriente de excitación), también se mantendrá constante. • Por lo tanto: para fines prácticos se puede afirmar que Pg depende sólo de δ.
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Potencia suministrada por el generador Rotor de polos salientes
• Si δ〉 0, PG >0, Ea adelanta a Ua. • A un aumento de δ corresponde un aumento no proporcional de P, ya que el denominado “coeficiente de sincronización” dPG/dδ no es constante. • Existe un δ, para el que, dPG/dδ =0, o sea para el cual se obtiene la PGmáx compatible con los valores de Ua y Ea adoptados. • Si δ sigue aumentando, PG se reducirá y la máquina perderá el sincronismo. 28/08/2010
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Ejemplo
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Sincronización de un generador a una barra infinita
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Puesta en paralelo Para poner en paralelo un generador síncrono a una barra infinita, debe de: • Previamente se debe haber verificado igualdad de secuencia de fases. • Llevar la velocidad de la turbina a la velocidad síncrona. • Luego cerrar el circuito de campo, e incrementar la corriente de campo (IE) hasta obtener en bornes la tensión nominal. 28/08/2010
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Puesta en paralelo • Mediante un doble voltímetro y doble frecuencímetro, verificar que las tensiones del generador y de la barra infinita sean iguales en magnitud y frecuencia. • Luego cuando estén en fase (verificando en el sincronoscopio) ambas tensiones, cerrar el interruptor de potencia.
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Generador sincronizado (I)
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Generador sincronizado (II) ⇒
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Generador en paralelo a barra infinita Si se incrementa el ingreso de la potencia mecánica (PMec) en la turbina, se incrementa la potencia generada (PG), a la misma velocidad. 28/08/2010
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Generador sincronizado (III) ⇒
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Generador sincronizado (IV) ⇒
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Generador en paralelo a barra infinita • Si se incrementa la corriente de excitación (IF), la tensión no se incrementa, pero si la potencia reactiva generada (QG). 28/08/2010
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Excitación fija y potencia de la turbina variable.
Un incremento de potencia mecánica se traduce en un incremento del ángulo δ
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Excitación fija y potencia de la turbina variable. El límite de estabilidad teórico es cuando δ = 90°= ( π/2)
Control P – f: Para mantener la frecuencia debe de existir balance entre la potencia generada (PG) y la demanda. Demanda = potencia consumida por la carga (PL) + pérdidas (PP) 28/08/2010
Si PG=PL+PP ⇒ f=cte Si PG>PL+PP ⇒ f ↑ Si PG