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Area Electrotecnia y Máquinas Eléctricas Máquinas e Instalaciones Eléctricas Ing. Osvaldo Luis Mosconi
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Máquinas sincrónicas.- Generación de una f.e.m. alterna
para extraer esa f.e.m. se emplean anillos rozantes y escobillas.
Características constructivas.-
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generador sincrónico trifásico (alternador) principio
conexión del inducido al exterior: se usan 4 anillos.
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Los movimientos son relativos.
inductor rotórico
2 polos ? 3.000 r.p.m. 4 polos ? 1.500 r.p.m 6 polos ? 1.000 r.p.m 8 polos ? 750 r.p.m 12 polos ? 500 r.p.m 16 polos ? 375 r.p.m
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Fuerza electromotriz.-
kfPm
ZE máx ⋅⋅⋅⋅
⋅= φ44,4
donde: Z es el número de lados activos de bobina m es el número de fases P es el número de polos f es la frecuencia φmáx es el valor máximo del flujo por polo ( admitiendo una distribución armónica del flujo) k es el factor de bobinado. DP kkk ⋅= kP = factor de paso kD = factor de distribución Factor de paso
b = 7
= 7
= 1
N S
b = 6
= 7 = 6/7
N S
- b = 1
τ es el paso polar b es el paso de bobina
Eb
e e- b
b/2
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eEb
kP ⋅=
2
222 bsenkbseneEb P =⇒⋅⋅=
Factor de distribución
N S
b
O
A BE
Eb1Eb2
Eb3
nbibbb
DEEEE
Ek
+++++=
......21.
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Fuerzas magnetomotrices.-
Fr
E0
I
Fe
Fer
Fr es la f.m.m del campo rotante del inductor E0 es la f.m.m. inducida en vacío I es la corriente de carga Fe es la reacción de inducido Fer es la f.m.m. resultante o f.m.m. de entrehierro Impedancia sincrónica por fase.-
Fr
E0
I
Fe Fer
E1
U
A
B
C
Fr es la f.m.m del campo rotante del inductor E0 es la f.e.m. inducida en vacío I es la corriente de carga Fe es la reacción de inducido Fer es la f.m.m. resultante o f.m.m. de entrehierro E1 es la f.e.m. inducida en carga
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Suponiendo una linealidad entre (Fr ; E0) y (Fer ; E1) AB es - a I
ϕjXIAB ⋅= Xf es una reactancia que representa la reacción de inducido Xd es la reactancia de dispersión del bobinado
( )ϕϕ XXIXIXIXI ddS +⋅=⋅+⋅=⋅ ( ) Sd XXX =+ ϕ conocida como reactancia sincrónica Circuito equivalente de la máquina sincrónica. Como generador
SjXIRIEU ⋅−⋅−= 0
E0
IU
I·jXS
I·R
Exc.
E0
XS RU
I
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Como motor sería
SjXIRIEU ⋅+⋅+= 0
Exc.
E0
XSRU
I E0
I
U
I·jXS
I·R
Potencia interna de la máquina sincrónica.- Despresiando R
E0
I UI·jXS
0
αcos0 ⋅⋅= IEPi
SXIsenU⋅
⋅= 0cos
δα
000
0 δδ
senX
UEXI
senUIEP
SSi ⋅
⋅=
⋅⋅
⋅⋅=
E0
I
U
0
I·jXS
Generador
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Potencia reactiva de la máquina sincrónica.
E0
I UGenerador
Al aumentar E0 aumenta la entrega de potencia reactiva inductiva a la carga.
Al aumentar E0 aumenta la potencia reactiva capacitiva de la carga. Si 00 →δ pasa a ser condensador sincrónico Como generador
E0
I UGenerador
Al disminuír E0 aumenta la entrega de potencia reactiva capcitiva a la carga.
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Posibilidades de funcionamiento de la máquina sincrónica
U
E0
0
Generador concarga inductiva
Generador concarga capacitiva
Motor capacitor
Motor inductor
U
E0
0
Generador concarga inductiva
Generador concarga capacitiva
Motor capacitor
Motor inductor
Límite deestabilidad
Balance energético de la máquina sincrónica.- Como generador
EXCMECE PPP +=
ϕcos3 ⋅⋅⋅= IUPS
αcos3 0 ⋅⋅⋅= IEPI
RIPP SI23 ⋅+=
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RotFeIMEC PPPP ++=
Exc.
XS RU
I
P .MEC PFe PIPEXC PSI · R2
PROT
SRotFeEXCEXCMECE PRIPPPPPP +⋅⋅+++=+= 23 Como motor:
EXCELECE PPP +=
Exc.
XSRU
I
P .MECPFePEXC I · R2 PROTPELEC
RIPPPP RotFeMECELEC ⋅⋅+++= 23 también ϕcos3 ⋅⋅⋅= IUPELEC
RIPPPPP RotFeMECEXCE ⋅⋅++++= 23 Ensayos característicos de la máquina sincrónica.- 1. Ensayos con corriente continua sobre el estator y el rotor . 2. Ensayo en vacío como generador. 3. Ensayo en cortocircuito como generador
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+ -
Exc.n = cte
G
(a)
Ie
E = V3
Ie
(b) Ensayo en vacío de un generador sincrónico: a) esquema de conexiones b)
resultado experimental obtenido
+ -
Exc.n = cte
G
(a)
Ie
Ie
(b)
Icc.Icc.
Ensayo en cortocircuito de un generador sincrónico: a) esquema de conexiones b) resultado experimental obtenido
Determinación de la reactancia sincrónica a partir de las características de vacío y
de cortocircuito E
Ie
Icc
E1
E2
E3
Ie1 Ie2
Icc1
Icc2
En la zona lineal sin saturación ( ) 22
1
1linS
CC
XRIE
+= pero si XSlin>>R
1
1
CCSlin I
EX =
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y en la zona de saturación
2
2
CCSsat I
EX =
Si se representa la reactancia sincrónica en función de la corriente de excitación se obtiene el siguiente gráfico.
Excitación de máquinas sincrónicas.- Para alimentar el inductor se deberá disponer entonces de una fuente de corriente continua con posibilidades de regulación.
Inducido
Inductor
Alternador
X S
(X )S lin
Ie
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excitatriz independiente
Excitatriz Alternador
inductor G = inducido
r regulador de tensión
Autoexcitado con reactor saturable y rectificación por diodos.
Alternador
inductor inducido
T.U. T.I
pulsador reactor batería
rectific.
Autoexcitado con rectificación controlada por tiristores.
inductor
Electrónica de control
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Excitación sin escobillas (brushless)
generador de imanes alternador permanentes pequeño rectific.
N S
control electón
Paralelo de alternadores.- Condiciones: 1. Igual tensión de línea. 2. Igual frecuencia. 3. Igual secuencia de fases. 4. Igual fase.
G~~~
G~~~
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R2R1
S2
T2 S1
T1
R2
R1
S2
T2
S1
T1
U 1-2
en fase desfasados
G G21
R
S
T
columna de sincronismo Procedimiento 1.- Verificación de secuencia (se hace solamente cuando se efectúa la instalación o
se desmonta y rehace la instalación) 2.- Comparación de tensiones 3.- Comparación de frecuencias 4.- Verificación de fase 5.- Conexión 6.- Dar más potencia a la máquina motriz para tomar potencia activa.
7.- Sobreexcitar el alternador para tomar potencia reactiva.
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E0
I U
Motor sincrónico.-
Motor sincrónico capacitivo
Arranque del motor sincrónico
N
SS
N
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15.- Características del motor sincrónico.- Curvas en “V” o de Mordey
Ii
Ie
cos
=
1
cos
=
0,8
cos
=
0 ,8
capa
citivo
indu
ctivo
vacío
Pnom.
2/3 Pnom.
1/3 Pnom.
Zona decalentamientoy satuaración
Ines
tabil
idad
sobreexcit.subexcit.
Cupla en función de d para rotor cilíndrico
0
Cup
la
MOTOR
GENERAD.2
2
Para polos salientes
N SS
Cuplaelectromag.
Cupla dereluctancia
Cuplaresultante