Máquinas Sincrónicas Generador Sincrónico Máquina sincrónica

Generador Sincrónico
Máquinas Sincrónicas
Armengol Blanco
Estator
Máquina sincrónica


Estator
Rotor
Rotor
Estator
Rotor de polos salientes
Rotor de polos salientes
1
Rotor cilíndrico
Generador Hidráulico
Generador Hidráulico
Generador Sincrónico
Generador de CA Elemental
Generador de CA Elemental
2
Máquina Sincrónica
120f
ns 
p



ns velocidad sincrónica rpm
f frecuencia Hz
p #polos
Rotor


Rotor lizo en alternadores de
turbogeneradores
Rotor de polos salientes empleadas en
centrales hidráulicas
Rotor lizo de dos polos
Rotor de polos salientes
Rotor de polos salientes
Inductor de 10 polos
3
Campo Magnético Giratorio
Inducido Fijo
Variación del campo magnético
Distorsión del campo magnético
Generador Síncrono (Tipos de rotor)
Generador de Polos
Salientes
Generador de Rotor Liso
(Rotor Cilíndrico)
S
S
N
N
S
4 polos
N
N
S
4 polos
4
Ventajas Constructivas:
Inducido fijo e Inductor móvil
Tipos de Máquinas Síncronas




Inductor fijo (Laboratorio de Máquinas)
Inducido móvil

Aumento de la resistencia de los
dientes del inducido
Inductor móvil
Inducido fijo (Estator)
Estator
Ventajas Constructivas:
Inducido fijo e Inductor móvil






Reacción de armadura reducida
Mejor aislamiento
Ventajas constructivas
Número de anillos rozantes aislado
Necesarios
Ventajas de Ventilación
Menores peso e inercia del rotor
 Fabricado de material ferromagnético
laminado
 El radio interior está ranurado
Ranura
Devanado de
armadura
Estator
Estator
Ranura cerrada
Ranura abierta
Estator máquinas sincrónicas
 Por lo general es en el estator donde se
ubica el devanado de armadura
(devanado trifásico)
 El estator de una máquina sincrónica es
idéntico al de una máquina de inducción
5
Estator máquinas sincrónicas
Diferentes máquinas sincrónicas
Estator
Rotor
El rotor de la máquina es la parte
interior de la máquina
 Montado sobre un eje que le
permite rotar libremente
 Fabricado de material
ferromagnético laminado
 Se tienen 2 tipos de rotores: rotor
de polos salientes y rotor cilíndrico
Rotor
Rotor
Por lo general en el rotor se encuentra el
devanado de campo, al cual se le aplica
corriente directa a través de anillos
deslizantes y escobillas cuando la fuente es
externa.
Existen máquinas en donde la fuente de
alimentación para este devanado está
montada en el mismo rotor por lo que carece
de anillos deslizantes y escobillas
Polo magnético
Polo magnético
Terminales
devanado de
campo
Polo magnético
Devanado de campo
Terminales
devanado de
campo
Devanado de campo
Polo magnético
6
A) Rotor cilíndrico. B) Rotor de polos salientes
Rotor de
polos salientes
CYLINDR ICAL
ROTOR
LINES OF MA GNETIC
FLUX
Rotor de polos salientes: Vertical
Rotor de polos salientes: Vertical
Rotor de polos salientes: Vertical
Rotor de polos salientes: Horizontal
7
Máquina Sincrónica Trifásica
Polo saliente de una máquina sincrónica
Eje de campo
(CD)
Eje de la fase A
c’
b
Rotor
Entrehierro
Devanado de
campo
Estator
a
a’
If
Polo saliente de una máquina sincrónica
Eje de la fase C
Eje de la fase B
b’
c
Maquina síncrona de dos polos
Sistema de excitación
Sistema de excitación
FEM inducida
Factor de paso: kp







Ne/f Espiras por fase
f frecuencia
kp factor de paso
kd Factor de
E
distribución
ke Factor de hélice
a circuitos en
paralelo
 Flujo
4.44N e / f fk p k d k e
a
  
k p  sen 

 2 
[V]
 Paso relativo
y
Paso de la bobina

Paso Polar

Armónica

y

8
Factor de distribución
 q 
sen 
 2 
k d1 
 q 
q sen  
 2 

k d
q Ranuras por fase
 Ángulos entre ranuras
m Número de fases

mq
  
sen 

 2m 
k d1 
  
q sen 

 2mq 
 q 
sen 

 2m 

  

q sen 
 2 mq 
Factor de distribución
Factor de hélice


Está relacionado con
la inclinación de las
ranuras respecto al
eje del rotor
Normalmente 1
 
sen   
 2
kh 


2

Factor de Hélice
 tan 

Armónicas causadas por las
ranuras
9
Armónicas causadas por las
ranuras
Armónicas causadas por las
ranuras
Armónico de inducción
FEMs

2
 l B m1


2
3  l Bmed 3 
l Bm 3
3
 3
...........................
f 3  3f1; f 5  5f1; ....., f  f1
1   l B med1 
 

1f1  2 l B m1f1
2


E con 3 
3 f 3  2 l B m3 3f1  2 l B m 3f1
3
2
....................


E con 
 f  2 l Bmf1  2 l Bm f1

2
E con1 

2
l B med 3 
l B m


Valor eficaz de la FEM en un
conductor
E con  E
2
con1
E
2
con 3
E
2
con 5
 ...  E
2
con
Ejemplo
 .....

2
E con
2
 E con3   E con 5 
E
 
  ...   con
 1 
 E con1   E con1 
 E con1

 


2
E con
E con
2
 Bcon3   Bcon 5 
B
 
  ...   con
 1 
 Bcon1   Bcon1 
 Bcon1

 



2
2
2

1f1 1  k B 3  k B 5  ...  k B  ...
2
k B3 
Bm3
B m1
; k B5 
Bm 5
B m1
; ....; k B 
2

  ...




2

  ...





Z= 36 ranuras
p=4
m= 3 fases
y=9
=1
a=1
B m
B m1
10
Flujo de dispersión
Generador Síncrono de Rotor liso
Flujo de dispersión
Circuito equivalente
Ra

E
Diagrama fasorial

E
jX s

I

V


V


Ra I

I

jX s I
La referencia es el voltaje de terminales:
Ecuación de voltaje del circuito:
 

E  V  ( Ra  jX s ) I
Donde:

V  V 0 

E  E

E  Voltaje interno.
Ra  Resistencia de armadura.
La impedancia de la maquina:
X s  Reactancia síncrona.

V  Voltaje en terminales.
I  Corriente
La magnitud del voltaje interno es proporcional a la corriente
de campo:

Z  Ra  jX s  Z
E
 M f If
2
11
Generador Síncrono de Rotor liso
Generador Síncrono de Polos Salientes
Potencia de generación:

Z  jX s
y
Diagrama fasorial
S
Si Ra se desprecia:
 
S V I 

  90
Donde:

E
Iq
 
 E  V E  V0

I   
Z
Z
Donde:

Ee  j  V
I 
Ze  j
P
VE
sen 
Xs
Q
V
E cos  V 
Xs

jI q X q
N

I
Id
Entonces:
 VE
V
VE
V
S
cos(   ) 
cos  j
sen(   )  j
sen 
Z
Z
Z
Z
2
Eje q

jI d X d

V
2
Eje d
Donde:
2
VE
V
cos(   ) 
cos
Z
Z
VE
V2
Q
sen(   ) 
sen 
Z
Z
P
Curva de Capacidad
Curva de Capacidad del Generador de Rotor Liso
Límite de corriente
de campo
Q
S  3 Vnom I nom
Límite mínimo de la
fuente de energía
mecánica
VE
r
Xs
VE
sen 
Xs
V
Q
E cos V 
Xs
MVAnom
m
fp  0.9 
Recordando:

0
P 2  Q2  S 2
Entonces:
• Cuando la máquina síncrona opera en sus
valores nominales, es decir; valores a los
cuales los devanados y el núcleo alcanzan
la temperatura de régimen de diseño, se
obtienen las fronteras de la región de
operación dentro de la cual la máquina no
sufre daño ni envejecimiento prematuro.
Curva de Capacidad del Generador de Polos Salientes
Ángulo
S  3 Vnom I nom
:
  tan1
Rotor:
P
VE
V2 1
1
sen  
(

) sen( 2 )
Xd
2 Xq Xd
2
Q
I X q cos( )
V  I X q sen( )
Voltaje interno:
2
VE
V Xd  Xq
V
1
1
cos  
(
) cos(2 ) 
(

)
Xd
2
Xd Xq
2 Xd Xq
E  V cos( )  I X d sen(   )
Ángulo máximo
Recordando:
m :
 C
  C 2 1  
 m  cos  
     
  8B  2  
8B



1

m
Límite máximo de la
fuente de energía
mecánica
j
V2
( 0, )
Xs
 0.6 Q
e
Q
S  P  jQ
S j
i
a0
V2
b
Xs
VE
V 2 Xd  X q
V2 1
1
cos  
(
) cos(2 ) 
(

)
Xd
2
Xd Xq
2 X d Xq
P
1 pu
2

V2 
VE 2
P 2  Q 
 ( )
Xs 
Xs

2
2
( x  a)  ( y  b)  r 2
Q
Estator:
Límite de corriente
en el estator
S  3 Vnom I nom
Rotor:
P
VE
V2 1
1
sen  
(

) sen( 2 )
Xd
2 Xq X d
Curva de Capacidad
• La curva de capacidad de un generador
se deriva de manera simplificada sin
tomar en cuenta el efecto de saturación y
despreciando la resistencia y capacitancia
en los devanados.
Estator:
P
Potencia de generación:
h
Límite de
calentamiento de
cabezales o de
subexcitación
Límite práctico de
estabilidad
V2 1
1
V 2 X d  Xq
VE
(

)
(
)( sen( 2 )  j cos(2 )) 
( sen  j cos  )
2 Xd Xq
2
Xd X q
Xd
A
B
C
S  A BC
12
Curva de Capacidad del Generador de Polos Salientes
Q
S  3 Vnom I nom
S  A BC
Aj
Límite de corriente
en el estator
V2 1
1
(

)
2 Xd Xq
V 2 Xd  Xq
B
(
)(sen( 2 )  j cos(2 ))
2
Xd X q
C
Límite de corriente
de campo
MVAnom
m
1 pu
0
VE
(sen   j cos  )
Xd
P
C
Límite practico de estabilidad
(margen de 10%)

10%
2
Circulo de
reluctancia
A
B
m
2 m
Q
Límite práctico de
estabilidad
permanente
Límite teórico de
estabilidad
permanente
Tipos de devanados

Devanado Imbricados:


Características de los
Alternadores Síncronos





Características
Características
Características
Características
Características
Son generalmente más usados debido a
que las conexiones de cabeza de bobina
son más cortas
Devanados Ondulados
Ensayo en Vacío
en vacío
en cortocircuito
en carga
exteriores
de regulación
13
Característica en vacío
Ensayo en cortocircuito
Características en cortocircuito
Características en cortocircuito
Reactancia Síncrona
Reactancia Síncrona
14
Característica V-Ia, If=cte
Características Exteriores,
Iex=cte
Características de regulación
Características de regulación
Curvas en V de un generador
síncrono
Cortocircuito
15
Componente simétrica de la
falla
16