Resumen máquina síncrona Autor: Fernando Gago Rodríguez Ingeniero Industrial Universidad de La Laguna – Tenerife – España www.ull.es

CONSTITUCIÓN FÍSICA Y FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE LA MÁQUINA SÍNCRONA (I) •El rotor (inductor) se alimenta en corriente continua y crea un campo magnético que vamos a considerar, en primera aproximación, distribuido senoidalmente por el entrehierro, tanto en el caso de que sea de polos salientes como de forma cilíndrica (rotor liso) Al girar el rotor, lo que tenemos es un campo senoidal giratorio a wgeométrica = wrotor = weléctrica / P, con P=pares de polos. A más corriente en el rotor (al alimentarlo con una tensión continua mayor) más amplitud del campo creado por él. •El estator (inducido) tiene una distribución semejante al de la máquina de inducción. En cada una de las fases se induce, por el giro del campo magnético, una tensión senoidal de frecuencia marcada por la velocidad de giro del rotor. Al estar desplazadas las fases entre sí, las tensiones también lo estarán y tendremos en el estator un sistema trifásico equilibrado. •Si se conecta una carga equilibrada al estator circularán unas corrientes por él que crearán, a su vez, un campo giratorio a la velocidad dada por la frecuencia de las corrientes del estator, que coincidirá con la velocidad de giro del campo creado por el rotor. •El campo total es, pues, un campo senoidal giratorio a una velocidad geométrica dada por la de giro del rotor. La frecuencia de las corrientes del estator dependerá, como en la máquina de inducción, de la velocidad de giro del campo y del número de pares de polos P (P ha de ser igual en estator y rotor). La velocidad de giro del campo giratorio será weléctrica = 2pi*fcorrientes estator •El funcionamiento más habitual de la máquina síncrona es como generador (por ejemplo, en las centrales eléctricas), aunque también puede funcionar como motor. Si lo que queremos es generar tensiones de frecuencia constante o bien tenemos el generador conectado a la red eléctrica (que tiene una frecuencia dada), la velocidad de giro del rotor ha de permanecer constante.

CONSTITUCIÓN FÍSICA Y FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE LA MÁQUINA SÍNCRONA (II) •La tensión inducida en el estator será proporcional a la derivada del flujo por su espiras respecto al tiempo. Por tanto, será proporcional a la intensidad del campo total (creado por estator y rotor) y a la velocidad de giro. El campo del rotor aumenta al aumentar la tensión continua con que se alimenta ( tensión de excitación).

Constitución de una máquina síncrona bipolar

Rotor de polos salientes

Constitución de una máquina síncrona tetrapolar (en el estator sólo se ha dibujado una fase)

Rotor liso

CIRCUITO EQUIVALENTE DE LA MÁQUINA SÍNCRONA (I) •Se va a trabajar con un circuito equivalente por fase •Por una parte se tiene una fuente de tensión alterna E que representa la tensión inducida en cada fase del estator debido al flujo del rotor. Esta tensión será proporcional a la variación de este flujo respecto al tiempo y, por tanto, proporcional a la magnitud del campo del rotor (mayor cuanto mayor sea la tensión continua que lo alimenta) y a la velocidad de giro •Las corrientes que se inducen en el estator al cargarlo producen un campo que, a su vez, produce una tensión debido a su variación, de forma semejante a lo que ocurre en una bobina alimentada con corriente alterna. En ese sentido, la relación entre la tensión que cae debido al propio flujo del estator y la corriente que crea dicho flujo (la corriente por el estator) se representará por una bobina, con una reactancia que se llama reactancia principal. Además de esta reactancia, existirá en el estator una reactancia de dispersión y una resistencia de los devanados. La suma de la reactancia principal y la de dispersión se llama reactancia síncrona. El conjunto de la reactancia síncrona (xs) y la resistencia serie (r) es lo que se denomina impedancia síncrona (zs)y es una característica de la máquina •La potencia interna por fase (que se transforma de mecánica a eléctrica o viceversa) es la que se consume en la fuente E y, por tanto, será Pi = E*I*cos(fi), siendo fi el ángulo entre E e I. Se puede demostrar que también Pi = E*V*sin(delta)/xs, siendo delta el ángulo entre E y V (para esta fórmula se ha despreciado el valor de la resistencia r) •El par será proporcional a la potencia interna al ser la velocidad constante. Lógicamente el par también será T= k*Festator*Frotor*sin(ángulo que forman), representando F la fuerza magnetomotriz.

CIRCUITO EQUIVALENTE DE LA MÁQUINA SÍNCRONA (II)

•Se denomina impedancia síncrona a zs = r + xsj • El flujo creado por el rotor es función de la corriente que circula por él. Esta relación es aproximadamente lineal mientras no entremos en saturación •La E se llama fuerza electromotriz si la máquina funciona como generador y contraelectromotriz si la máquina funciona como motor. También se denomina tensión de excitación o tensión inducida en vacío •E se obtiene al derivar respecto al tiempo el flujo por las espiras de una fase. Por eso en la expresión de E aparecen el flujo, la frecuencia, el número de espiras por fase, una constante kw que tiene en cuenta la forma del devanado de las espiras y la constante 4.44, que es 2*pi/sqrt(2), de forma que E aparezca expresado como valor eficaz

FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA SÍNCRONA • La potencia consumida en r (la parte real de la impedancia síncrona) representa las pérdidas Joule por

fase en el estator

•Las pérdidas rotatorias y magnéticas no se incluyen en el circuito equivalente •Las pérdidas Joule en el rotor se calculan conocida la resistencia del rotor por fase y la corriente que circula por él. El circuito equivalente del rotor es, simplemente, una fuente de tensión continua (llamada excitatriz) que alimenta a una bobina real, es decir, a una bobina ideal en serie con una resistencia. En régimen permanente, al ser corriente continua, la bobina no se considera •La máquina síncrona puede absorber (motor) o dar (generador) potencia activa. Para una potencia activa dada puede, a su vez, proporcionar o absorber energía reactiva •Cuando la máquina funcionar como generador independiente la E vendrá dada por la corriente proporcionada por la excitatriz y la frecuencia de giro y la V en la carga que resulte dependerá de esa E y de la carga. El par mecánico a aportar dependerá de la potencia eléctrica consumida por la carga. El desfase entre V e I (y entre E e I) vendrá marcado por el factor de potencia de la carga, de modo que el generador podrá dar o absorber potencia reactiva •Si conectamos la máquina a la red (que se considera de potencia infinita, es decir, con tensión y frecuencia fijas independientemente de la carga) V será un dato. Para una misma potencia activa (tanto en caso motor como generador) variando E se modificará la potencia reactiva que da o absorbe la máquina síncrona. Cuando V e I están en fase (factor de potencia de la máquina igual a la unidad) la I es la menor de las posibles para una potencia activa dada y se dice que se trabaja con excitación E óptima. Si la I no está en fase, la E para esa misma potencia activa será menor (máquina subexcitada) o mayor (sobreexcitada) que la óptima. La sobreexcitación lleva al calentamiento del rotor y se debe evitar que sea excesiva. En el caso de funcionar como generador ocurre cuando la carga es muy inductiva

ENSAYOS CARACTERÍSTICOS •Ensayo con corriente continua sobre el estator: Se aplica una tensión continua a los

devanados del estator de modo que circule por ellos una corriente semejante a la que circularía en condiciones normales de trabajo. Dado que la resistencia varía con la temperatura se espera hasta que el estator alcance una temperatura semejante a la de trabajo normal. Con este ensayo se obtiene la resistencia del estator

•Ensayo en vacío come generador: Se impulsa el rotor a velocidad de sincronismo y

para diferentes valores de corriente de excitación del rotor se obtiene el valor de la tensión en bornes del estator, que se deja en vacío. Es decir, obtenemos E como función de la intensidad de excitación del rotor

•Ensayo como generador con el estator en cortocircuito: El rotor se hace girar a la

velocidad de sincronismo y, con el estator cortocircuitado, se mide la intensidad por él. Ha de tenerse cuidado de que la corriente de excitación del rotor sea tal que la corriente por el estator no sea demasiado elevada. En caso de serlo, la situación habrá de mantenerse poco tiempo para evitar calentamientos excesivos. Este ensayo permite obtener el valor de xs, que resultará ser semejante para las distintas corrientes de excitación del rotor (al fin y al cabo, la reactancia síncrona representa una inductancia), salvo cuando entramos en saturación, en que parece disminuir. Sin embargo, en saturación el circuito equivalente ya no tiene mucho sentido dado que no todas las magnitudes que en él intervienen serán senoidales como se supuso en un principio.

FUNCIONAMIENTO COMO MOTOR: ARRANQUE Y USOS •Para arrancar el motor se deja desconectada la tensión de continua del rotor, el cual se deja cortocircuitado por medio de una resistencia hasta que por algún método se lleva hasta la velocidad de sincronismo. Este método puede ser un motor auxiliar o disponiendo un devanado en jaula en el rotor que hará que se comporte como uno de inducción. Si inicialmente no cargamos el motor, alcanzará una velocidad próxima a la de sincronismo (algo menor pues siempre hay algo de rozamiento). Si en ese momento se conecta el rotor a la fuente de continua, acabará girando exactamente a la velocidad de sincronismo. En principio, se puede prescindir ya del devanado de jaula que, al girar el motor a velocidad de sincronismo no aporta par (como en el motor de inducción). Sin embargo, se puede dejar para que, si por alguna circunstancia, como una variación brusca de par, la máquina tiende a salirse del sincronismo, le ayude a volver a él. •Dado que el par instantáneo es proporcional a la magnitud de los campos creados por el rotor y por el estator y al seno del ángulo que forman, se deduce que si ambos campos giran a velocidades distintas se obtendrá un par oscilatorio de valor medio nulo. Por tanto, si el rotor está parado inicialmente y se conecta el estator a la red, el motor no arrancará (aunque sí oscilará), pues el campo del estator girará a la velocidad de sincronismo pero el del rotor estará parado •Según sea el par a mover por el motor, para una V y E fijos, variará el ángulo entre ellos para ajustarse a ese par. Por ejemplo, si se pone más carga, el rotor tiene a pararse, E se retrasa un poco y aumenta el par de modo que los 2 campos sigan girando a la misma velocidad. Si se quita más carga e incluso se ayuda a girar al rotor, el campo E tenderá a adelantarse con lo que el par pasará a ser negativo para oponerse a ello. Entonces se pasará a modo generador. •El máximo par, tanto como motor como generador es (3*E*V/xs)/wsincronismo. Si el par resistente (como motor) o el de ayuda al giro (como generador) supera este valor, el desplazamiento de E con respecto a V no puede compensar la variación de par y la máquina pierde el sincronismo •Para una misma potencia activa variando el valor de E por medio de la corriente de excitación del rotor se varía el consumo o aportación de potencia reactiva. A diferencia del motor asíncrono, el síncrono puede consumir potencia reactiva negativa, por lo que se puede usar para compensar el factor de potencia •Este tipo de motor es útil en el caso en que se quiera mantener una velocidad de giro constante aun cuando se produzcan variaciones de par , como puede ser, por ejemplo, el movimiento de antenas de radar. En la máquina síncrona, sea cual sea el par, la velocidad es constante, a no ser que se supere el valor máximo admisible y la máquina pierda el sincronismo

CONEXIÓN DE GENERADORES SÍNCRONOS

•Para poder conectar en paralelo 2 generadores síncronos ha de cumplirse que tengan igual frecuencia, tensión eficaz y secuencia de fases •Para ver si las frecuencias son iguales o no se usa un aparato llamado sincronoscopio •Aunque las tensiones de ambos generadores tengan igual frecuencia lo más probable es que estén desfasadas una respecto a la otra. Esto es difícil de evitar. Lo que se hace es conectar los generadores justo en el instante en que sus tensiones instantáneas sean iguales (para evitar cortocircuitos), con lo que, tras un pequeño proceso de autoajuste, ambos acabarán funcionando en fase •Como los generadores pueden ser máquinas de mucha potencia, debe tenerse mucho cuidado en cumplir los requisitos anteriores al conectarlos pues, en caso contrario, 2 máquinas de gran potencia tratarían de imponer sus tensiones, frecuencias... produciéndose un grave accidente debido a la gran energía liberada •Una vez acoplados los generadores, si son iguales, se debe hacer un reparto igualitario de la carga, de modo que ambos proporcionen la misma potencia activa y reactiva a la carga •En realidad, en la red eléctrica hay multitud de generadores diferentes conectados simultáneamente y el reparto de potencias entre ellos es un proceso complejo en el que intervienen no sólo factores técnicos sino también económicos (como el coste de generar en cada central en un momento dado) •La regulación de los generadores síncronos de la red es un proceso complejo que ha de asegurar siempre el equilibrio entre potencias consumidas y producidas. El par mecánico (causado por el agua en una central hidroeléctrica o por el vapor en una térmica o nuclear) ha de estar perfectamente regulado para que la máquina produzca la potencia activa demandada, de modo que cuando la máquina tienda a pararse se le dé más par y viceversa. De igual modo, se ha de controlar la corriente de excitación para ajustarse a las demandas de potencia reactiva