Máquinas Síncronas Máquinas Síncronas
Motores
Generadores
Generadores Síncronos Los generadores síncronos o alternadores son máquinas sínc ronas que se utilizan para convertir potencia mecánica en potencia de ca. Según los devanados que se utilizan en una máquina síncrona, estas se clasifican en: 1. Devanado de Campo: se aplica a los devanados que producen un campo magnético principal. 2. Devanado del inducido: se aplica en los devanados donde se aplica el voltaje principal. En una máquina síncrona los devanados de campo están en el rotor y en el estator los devanados del inducido. El rotor de un generador síncrono, en esencia, es un electroimán grande, los polos pueden salientes como no salientes. El rotor se construye de láminas delgadas. Los polos no salientes son para máquinas de 2 a 4 polos, mientras que los salientes son para los mayores a 4 polos. Se suministra una corriente cd al circuito de campo del rotor, puesto que el rotor está girando se requiere de un arreglo especial para que la potencia cd llegue a los devanados de campo. Existen 2 formas: 1. Suministrar al rotor una potencia cd desde una fuente externa cd por medio de anillos rozantes y escobillas. 2. Suministrar la potencia cd desde una fuente de potencia cd especial montada directamente en el eje del generador. Velocidad de rotación de un generador síncrono:
frecuencia eléctrica en Hz. velocidad mecánica del campo magnético en r/min (igual a la velocidad del rotor de una máquina síncrona). número de polos. =
=
=
Voltaje interno generado por un generador síncrono:
= Constante de construcción de la máquina.
Curva de magnetización o característica de circuito abierto de la máquina:
a) Gráfica del flujo contra la corriente de campo en un generador síncrono. b) Curva de magnetización de un generador síncrono.
Hay varios factores que ocasionan la diferencia que hay entre EA y V∅:
1. La distorsión del campo magnético del entrehierro debida a la corriente que fluye en el estator, llamada reacción del inducido. 2. La autoinductancia de las bobinas del inducido (o armadura). 3. La resistencia de las bobinas del inducido. 4. El efecto de la forma del rotor de polos saliente.
Circuito equivalente de un generador síncrono:
a) Un campo magnético giratorio produce el voltaje interno generado EA. b) El voltaje resultante produce un flujo de corriente en retraso cuando se conecta a una carga en retraso. c) La corriente en el estator produce su propio campo magnético BS, que produce su propio voltaje Eestat en los devanados del estator de la máquina. d) El campo magnético BS, se suma a BR y se transforma en Bnet. El voltaje Eestat se suma a EA y produce V en la salida dela fase.
Circuito simple
Voltaje de reacción inducido:
Reactancia síncrona de la máquina:
Circuito equivalente completo de un generador síncrono trifásico.
Conexión generador trifásico:
Circuito equivalente de un generador conectado en Y y
Circuito equivalente por fase y sus diagramas fasoriales:
Potencia y par generadores
en los síncronos:
Diagrama de flujo de potencia de un generador síncrono.
En donde es el ángulo entre EA e IA.
Si
Si
:
Circuito equivalente de un generador síncrono:
Este debe constar de 3 cantidades que se deben determinar para describir completamente el comportamiento de un generador sincrónico real:
y el ∅ o (y ) Reactancia sincrónica Resistencia del inducido
1. Relación entre 2. 3.
Prueba de circuito abierto de un generador:
1. El generador se hace girar a la velocidad nominal. 2. Se desconecta las terminales de cualquier carga y se establece la de campo. 3. La de campo se incrementa gradualmente por etapas y se mide el voltaje en los terminales de cada etapa.
a) Prueba de corto circuito b) Prueba de cortocircuito Prueba de Cortocircuito:
1. Se hace corto en las terminales del generador por medio de un conjunto de amperímetros. 2. Se mide la corriente IA y la corriente de línea conforme se incrementa la corriente de campo.
a) Circuito equivalente de un generador síncrono durante la prueba de cortocircuito.
b) Diagrama fasorial resultante. c) Campos magnéticos durante la prueba de cortocircuito.
Como Bneto es pequeño la máquina no está saturada, Scc es lineal.
∅ √ ∅ 1. Obtener (OCC) 2. Obtener 3. Obtener por medio de la ecuación: ∅ (No saturada) Si
Método aproximado para obtener
para de campo dada:
Generador Síncrono que opera solo. Efecto de los cambios de carga:
1. Se añaden cargas en retraso a un generador, el voltaje de fase y el voltaje de terminales decrecen. 2. Se añaden cargas con factor de potencia unitario a un generador, hay una pequeña disminución del voltaje de fase y voltaje de terminales. 3. Se añaden cargas con factor de potencia en adelanto a un generador, el voltaje de fase y el voltaje de terminales aumenta.
Efecto del incremento de carga sobre un generador a factor de potencia constante en el voltaje en sus terminales Un aumento en la carga conlleva un aumento de potencia real, de potencia reactiva o ambas que se obtienen de un generador. La regulación de voltaje de un generador la podemos obtener: Una regulación de voltaje positiva está asociada a F.P.(-), positiva pero más pequeña asociada a F.P.(1) y una regulación de voltaje negativa asociada a F.P.( +).
Normalmente se desea mantener constante el voltaje suministrado a una carga, incluso cuando la carga misma varía. ¿Cómo corregir las variaciones
(voltaje de terminales)?
|| para compensar los cambios en la carga. ∅ Donde = constante. Un incremento de causa un aumento de flujo, que a su vez incrementa y un aumento de causa un incremento del voltaje de fase y del voltaje de fase y del voltaje en las terminales. Es varia
Esta idea se puede resumir de la siguiente manera:
1. Un decremento n la resistencia de campo del generador incrementa su corriente de campo. 2. Un incremento en la corriente de campo causa de aumento del flujo en la máquina. 3. Un incremento en el flujo causa un aumento del voltaje interno generado . 4. Un incremento en causa un incremento en y en el voltaje en las terminales en el generador.
∅ Controla por medio de la variación de flujo.
∅
∅
Operación en paralelo de un generador síncrono
Generador que se conecta en paralelo con un sistema de potencia en operación
¿Por qué se utilizan los generadores síncronos en paralelo? Hay muchas ventajas para ello: 1. Varios generadores pueden alimentar una carga más grande que una sola máquina. 2. Tener varios generadores incrementa la confiabilidad del sistema de potencia, debido a que la falla de cualquiera de ellos no causa la pérdida total de potencia en la carga. 3. Tener varios generadores que operan en paralelo permite la remoción de uno o más de ellos para cortes de potencia y mantenimiento preventivos. 4. Si se utiliza un solo generador y éste no opera cerca de plena carga, entonces será relativamente ineficiente. Con varias máquinas más pequeñas que trabajan en paralelo es posible operar sólo una fracción de ellas. Las que operan lo hacen a plena carga y por lo tanto de manera más eficiente. Condiciones para operar en paralelo:
1. Los voltajes de línea rms de los dos generadores deben ser iguales. 2. Los dos generadores deben tener la misma secuencia de fase. 3. Los ángulos de fase de las dos fases a deben ser iguales.
4. La frecuencia del generador nuevo, l lamado generador en aproximación, debe ser un poco mayor que la frecuencia del sistema en operación.
Características de frecuencia-potencia y potencia en un generador sincrónico. Todos los generadores son accionados por un generador primario, que es la fuente de potencia mecánica. Conforme aumenta la potencia, la velocidad disminuye.
La caída de velocidad está dada por la ecuación:
= velocidad del motor primario en vacío. = velocidad del motor primario a plena carga. La mayoría de los motores primarios tienen una caída de velocidad de 2 a 4%.
Debido a que la velocidad del eje está relacionada con la frecuencia eléctrica, podemos obtener la ecuación:
= frecuencia eléctrica = velocidad del rotor de una máquina síncrona = número de polos La relación entre la frecuencia y la potencia se puede describir cuantitativamente por medio de la ecuación:
= Potencia de salida del generador = Frecuencia en vacío del generador = frecuencia de operación del sistema = Pendiente de la curva en kW/Hz o MW/Hz
a) Curva de velocidad contra potencia de un motor primario típico b) Curva de frecuencia contra potencia resultante del generador.
Cuando un generador opera en paralelo con un bus infinito: 1. El sistema el generador controla la frecuencia y el voltaje en terminales del generador. 2. Los puntos de ajuste del mecanismo regulador del generador controla la potencia real suministrada al sistema por el generador. 3. La corriente de campo en el generador controla la potencia suministrada por el generador.
Generadores en paralelo de igual tamaño
Cuando dos generadores están juntos, un incremento en los puntos de ajuste del mecanismo regulador de uno de ellos: 1. Incrementa la frecuencia del sistema. 2. Incrementa la potencia que suministra ese generador, a la vez que reduce la potencia que suministra el otro. ¿Qué sucede si se incrementa la corriente de campo de
?:
1. Se incrementa el voltaje en las terminales del sistema. 2. Se incrementa la potencia reactiva Q suministrada por ese generador a la vez que disminuye la potencia reactiva suministrada por el otro generador.