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1
Mquinas sncronas
Por: Ing. Csar Chilet
Temario
Introduccin. Generador sncrono . Motor sncrono. Compensador sncrono.
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Introduccin
Sncrona
El campo magntico giratorio creado por el devanado del estator gira a la velocidad sncrona.
El rotor gira a la misma velocidad del campo giratorio.
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Formas de operar
Generador. Motor. Compensador
sncrono (Reactor o capacitor variable)
Formas de operar
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Generador sncrono
Generador sncrono
IbGen
3-Salida
Elctrica
Fuente DC de campo
Ia
Ic
Primo Motor(Entrada Mecnica)
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Tipos de generadores sncrono
Rotor cilndrico Rotor de polos salientes
Generador de polos salientes
Este tipo de generadores, son movidos por turbinas hidrulicas, son de gran cantidad de polos (por ejemplo 32, 16 polos), y de baja velocidad.
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Generador de polos lisos
Este tipo de generadores posee generalmente dos polos, presentando un entrehierro prcticamente uniforme. Son de alta velocidad y son movidos por turbinas a gas y/o petrleo.
Generador de rotor cilndrico
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Generador de rotor cilndrico(hierro transparente)
Generador con rotor cilndrico(hierro transparente, vista de una sola fase)
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Mquina de rotor cilndrico
Mquina de rotor cilndrico
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Generador con rotor de polossalientes
Generador con rotor de polossalientes(hierro transparente)
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Mquina de polos salientes
Conjunto turbina-generador-excitatrices
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Principio bsico de funcionamiento
Modelo en rgimen permanenteMquina polos lisos
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ngulo de potencia en el espacio y en el tiempo
Diagrama fasorial
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Diagrama fasorial
El alternador con carga
Al cargar un alternador, habr un efecto sobre latensin de salida.
El efecto sobre el generador depender de lamagnitud y factor de potencia de la carga.
Las cargas resistivas e inductivas causan desmagnetizacin del generador, siendo mayor el efecto de las cargas inductivas.
Las cargas capacitivas magnetizan al generador elevando la tensin en terminales al aumentar la carga.
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Alternador con carga
La tensin en terminales en funcin al tipo y tamao de la carga
La tensin en terminales Ua es menor que Ea para carga R, L o R-L; siendo mayor para cargas capacitivas.
Regulacin de tensin
Es la cada o elevacin de la tensin que se produce internamente, debido a la carga (I.Zs).
Se expresa como porcentaje de la tensin en terminales.
100 % xUUEa
Ua
areg
=
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Modelo en rgimen permanenteMquina polos salientes.Reaccin de inducido diferente en ejes d y q
j Xq.Ia
j Xq.Iaq
Valores tpicos y rangos devariacin por unidad de
parmetros de generadoressncronos
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Potencia suministrada por el generadorRotor cilndrico
Potencia suministrada por el generadorRotor cilndrico
Con la simplificacin R = 0, y separando parte real e imaginaria:
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P (p.u.)
90
1,0
Zona
inestable
Zona de
operacin
20 50
0,34
0,77
Ecuacin potencia-ngulo
Cuando la potencia de la carga aumenta, el desfasaje angular entre el eje magntico del campo creado por el rotor y el eje magntico del campo creado por el estator (ngulo de potencia ), se incrementa.
( )SenX
UEP
S
aaG
=
Potencia suministrada por el generadorRotor de polos salientes
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Potencia suministrada por el generadorRotor de polos salientes
Separando parte real e imaginaria:
Potencia suministrada por el generador
En lneas de segmentos estn dibujadas las curvas correspondientes al primer trmino (la fundamental) y al segundo trmino (la segunda armnica).
Rotor de polos salientes
Curva Potencia-ngulo para una mquina de polos salientes
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El segundo trmino de (PG): Se denomina componente de reluctancia o de
saliencia y es pequeo comparado con el primero (10 a 20%).
No depende de la excitacin Ea y por ello existe aunque la corriente de excitacin sea nula.
Para corrientes de excitacin grandes no se comete un error importante al despreciarlo.
Potencia suministrada por el generadorRotor de polos salientes
Potencia suministrada por el generador
Si la mquina est conectada a una barra infinita:
Ua =cte; Ea = f(corriente de excitacin), tambin se
mantendr constante. Por lo tanto: para fines prcticos se puede
afirmar que Pg depende slo de .
Rotor de polos salientes
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Potencia suministrada por el generador
Si 0, PG >0, Ea adelanta a Ua. A un aumento de corresponde un aumento no
proporcional de P, ya que el denominado coeficiente de sincronizacin dPG/d no es constante.
Existe un , para el que, dPG/d =0, o sea para el cual se obtiene la PGmx compatible con los valores de Ua y Ea adoptados.
Si sigue aumentando, PG se reducir y la mquina perder el sincronismo.
Rotor de polos salientes
Ejemplo
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Sincronizacin de un generador a una barra infinita
Puesta en paralelo
Para poner en paralelo un generador sncrono 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 sncrona.
Luego cerrar el circuito de campo, e incrementar la corriente de campo (IE) hasta obtener en bornes la tensin nominal.
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Mediante un doble voltmetro y doble frecuencmetro, verificar que las tensiones del generador y de la barra infinita sean iguales en magnitud y frecuencia.
Luego cuando estn en fase (verificando en el sincronoscopio) ambas tensiones, cerrar el interruptor de potencia.
Puesta en paralelo
Generador sincronizado (I)
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Generador sincronizado (II)
Generador en paralelo a barra infinita
Si se incrementa el ingreso de la potencia mecnica (PMec) en la turbina, se incrementa la potencia generada (PG), a la misma velocidad.
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Generador sincronizado (III)
Generador sincronizado (IV)
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Si se incrementa la corriente de excitacin (IF), la tensin no se incrementa, pero si la potencia reactiva generada (QG).
Generador en paralelo a barra infinita
Excitacin fija y potencia de la turbina variable.
Un incremento de potenciamecnica se traduce en unincremento del ngulo
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Excitacin fija y potencia de la turbina variable.
El lmite de estabilidad terico es cuando = 90= ( /2)
Control P f:Para mantener la frecuenciadebe de existir balance entrela potencia generada (PG) yla demanda.Demanda = potencia consumidapor la carga (PL) + prdidas (PP)
Si PG=PL+PP f=cte
Si PG>PL+PP f
Si PG
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Excitacin variable ypotencia de la turbina fija
Control Q U:El incremento de la potencia reactiva en la carga, reduce latensin en terminales. Si se quiere recuperar el nivel detensin tiene que incrementarse la excitacin; y viceversa.
Typical V-curves for generator operation.
Referencia:IEEE Std 67
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Interpretacin del ngulo El ngulo , en grados elctricos es igual al que formara el
eje de un polo de la mquina sncrona funcionando en carga, sobre un nudo de potencia infinita, con la posicin que ocupara ese mismo eje en rgimen flotante con la misma excitacin.
Curva de capacidad del generador
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Diagrama fasorial de potencias
Curva de capacidad en p.u.
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Lmite de estabilidad
Curva de Capabilidad del generador de polos lisos
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Lmites de operacin de un generador sncrono de polos salientes
Curva de capacidad - generador polos salientes
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Cortocircuito trifsico sbito de un generador en vaco:(1) Campo magntico antes, (2) despus de 5 ms, (3) despus de 5s
1 2 3
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Motor sncrono
Motor sncrono
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Motor sncrono
Cuenta con dos tipos de alimentacin, uno trifsico para el devanado del estator y el otro DC para el devanado del rotor.
La alimentacin trifsica sirve para la conversin de la potencia elctrica en potencia mecnica y para ciertas condiciones de operacin para magnetizar la mquina.
Esencialmente la alimentacin DC es para magnetizar la mquina.
Arranque
El motor sncrono no tiene par de arranque propio . Por eso, en el diseo de stos motores, hay que incluir algn tipo de dispositivo, o sistema, de arranque.
Tres son los mtodos bsicos que pueden usarse para arrancar un motor sncrono: Reducir la velocidad del campo magntico giratorio.
Empleando un motor primo externo.
Usando devanados amortiguadores.
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Arranque empleando convertidor de frecuencia
Si la velocidad sncrona es suficientemente baja, no habr problema para que el rotor acelere y se enganche con el campo magntico del estator.
La velocidad sncrona se puede aumentar gradualmente incrementando la frecuencia hasta obtener su velocidad nominal.
La variacin de la frecuencia se consigue con la ayuda de un convertidor de frecuencia.
Arranque empleando motor primo
Se acopla un motor primo externo y se lleva mediante este al motor sncrono a la velocidad sncrona. A sta velocidad el motor se sincroniza con la red mientras que se desacopla el motor primo.
Como el motor se arranca sin carga, el motor primo puede ser de una potencia mucho menor que la del motor sncrono.
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Arranque empleando el devanado amortiguador
Es la forma ms popular, donde las barras del devanado amortiguador hacen el papel de jaula de ardilla, proporcionando torque de arranque, de aceleracin y torsin mnima.
En el arranque, de preferencia la mquina no debe de tener carga, pues, su seccin transversal es relativamente pequea, y se sobrecalentar si se le aplica carga hacindole operar como motor de induccin con carga.
Arranque empleando el devanado amortiguador
Cuando el rotor alcanza la velocidad mxima a la quepuede acelerar como el tipo en jaula de ardilla(aproximadamente 95 %, o ms, de la velocidadsncrona), se aplica corriente continua al campo delrotor.
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Devanado amortiguador
El devanado amortiguador, tambin sirve para mantener el sincronismo de la mquina ante oscilaciones bruscas de carga.
Amsteg power plant 50 MVA, 11 kV, 16 2/3 Hz, 333.3 rpm
Single-phase synchronous machine
Different damper slot geometries Connection
between damper bars and
damper ring
Devanado amortiguador
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Tensin inducida
IMPORTANTE : En el instante del arranque, el campo magntico giratorio creado por el devanado 3 del estator, cortar a los devanados del rotor, (que estn estacionarios) como en un transformador, y si no se toman precausiones , se pueden producir sobrevoltajes que daen al aislante. Cabe indicar que el bobinado del rotor tiene gran cantidad de espiras (vueltas).
Solucin
Si el devanado de campo del rotor se encuentra en cortocircuito, o conectado a una resistencia de descarga, durante el proceso de arranque; no se presentarn stas sobretensiones.
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Aplicaciones del motor sncrono
Aplicaciones
Para cargas grandes de baja velocidad, fijas yvelocidades constantes.
Por ejemplo: Compresores grandes de baja velocidad.
Ventiladores y bombas.
Muchos tipos de trituradores.
Molinos.
Diversos usos en la industria de la pulpa, papel,caucho, sustancias qumicas, harina y laminadoras demetales.
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Capacitor sncrono
Una caracterstica muy especial hace que los motores sncronos sean tiles en las aplicaciones industriales donde se emplean muchos motores de induccin.
Si al rotor de un motor sncrono se le suministra ms corriente DC que la requerida, se dice que el motor est sobreexcitado, y tomar una corriente de fase en adelanto; como un capacitor conectado a la lnea.
Ventajas
La ms importante es que su velocidad esconstante, ante variaciones de cargas.
Otra, es su capacidad de operar, an en condiciones de plena carga, a un factor de potencia en atraso, o en adelanto, el cual se puede ajustar fcilmente, al variar la excitacin DC del devanado del rotor.
En otras palabras, su factor de potencia puede ser cambiado a voluntad actuando sobre la excitacin.
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Curvas en V
Apreciamos como variando la corriente de excitacin cambia la corriente de lnea en el motor.
Curvas en V
Cuando el motor est subexcitado se comporta como una carga inductiva y si est sobrecitado se comporta como un capacitor, siendo su cos mximo de 1.
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Seleccin
Motoressncronos o
deinduccin
Motores deinduccin
Motoressncronos
3600
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1250
1500
Pot. (HP)
1800
1200
900
720
600
514
450
400
360
y menor
r.p.m.
Indicacin de lasreas generalesde utilizacin delos motoresasncronos ysncronos.
