ELECTROTECNIA APLICADA A LA INGENIERIA MECÁNICA UD. 4 MAQUINAS ELECTRICAS Descripción: Principios de electromagnetismo y funcionamiento y aplicaciones de las diferentes máquinas eléctricas. 1 Tema 4.3. MÁQUINA SÍNCRONA: ALTERNADOR 2 Tema 4.3. Máquina síncrona PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO: • La máquina síncrona se basa en los mismos principios de inducción electromagnética que la máquina asíncrona. En este caso, la velocidad de la máquina esta determinada por frecuencia de la red: 60𝑓 𝑛= 𝑝 • Partes: • Inductor: Se trata de un devanado alimentado por corriente continua que da lugar a los polos de la máquina. Inducido: Devanado compuesto porto por 3 fases por el que circulará la corriente alterna. • Carcasa: Es la envolvente del motor, contiene estator, rotor, caja de bornes, eje y otras partes mecánicas. • Eje: Es el elemento mecánico por el que entregaremos la energía del generador. 3 Tema 4.3. Máquina síncrona PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO: • INDUCIDO: • El inducido y el inductor pueden ocupar tanto el rotor como el estator de la máquina, dependiendo de la potencia de la misma. • La ubicación del inducido en el rotor o en el estator depende de la potencia de la máquina debido a la dificultad de aislar las 3 fases cuando los voltajes inducidos son elevados. 4 Tema 4.3. Máquina síncrona PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO: • INDUCIDO EN EL ROTOR: • El rotor puede estar configurado en forma de polos salientes o de rotor cilindrico. La elección de uno u otro depende de la velocidad de rotación de la máquina y, por tanto, del motor primario. • • • Velocidad alta (3000r.p.m): • Turbogeneradores movidos por turbinas de vapor (centrales térmicas) • Rotor cilíndrico de 2 polos. Velocidad media (1500r.p.m.): • Turbogeneradores movidos por turbinas de vapor (nucleares) • Rotor cilíndrico de 4 polos: Velocidad baja (<750r.p.m): • Turbinas en saltos de agua. • Rotor de polos salientes de entre 20 y 40 polos. 5 Tema 4.3. Máquina síncrona PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO: • INDUCIDO EN EL ROTOR: • El volumen de las máquinas es proporcional a la potencia que desarrollan: • Las máquinas de mayor velocidad se construyen con diámetros reducidos y gran longitud axial, para reducir esfuerzos por fuerzas centrifugas. • Las máquinas de menor velocidad (generadores hidráulicos) tienen mayor diámetro y pequeña longitud axial. 6 Tema 4.3. Máquina síncrona • Principio de funcionamiento: – El giro del rotor induce una tensión alterna en el devanado situado en el estator. – El valor eficaz de esta tensión es proporcional a la frecuencia al número de espiras y al flujo magnético. – La forma de la onda depende de la forma del entrehierro: Tema 4.3. Máquina síncrona • Principio de funcionamiento: – Funcionamiento en vacío: • La curva E0=f(Ie) define la fuerza electromotriz producida en función de la corriente de excitación del inductor. • La corriente de excitación (Ie) es la corriente continua que provoca la aparición del campo magnético (electroimán). • Presenta un tramo lineal en el que el flujo magnético aumenta de forma lineal con la corriente de excitación y un tramo no lineal que se corresponde con la saturación magnética. Tema 4.3. Máquina síncrona • Principio de funcionamiento: – Funcionamiento en carga: • Cuando el generador se conecta a una carga, aparece una intensidad que circula por el inducido. • Esta intensidad provoca una fmm que complementa a la del inductor y que debe ser estudiada: – Debemos considerar los siguientes factores: » La fmm del inductor toma los valores máximos en los polos del inductor. » La fmm del inducido toma los valores máximos en el centro de las espiras. » La fem inducida toma los valores máximos cuando los polos coinciden con los lados de las espiras (momento de máxima variación del flujo). » La intensidad estará en fase, atrasada o adelantada respecto de la fem dependiendo de que la carga sea resistiva, inductiva o capacitiva. » La fmm del inducido (provocada por la intensidad, esta atrasada 90º respecto de esta. Tema 4.3. Máquina síncrona • Principio de funcionamiento: – Funcionamiento en carga: – Carga resistiva: 1,5 1 f.m.m. inductor 0,5 F.e.m. 0 -1 -1,5 1 51 101 151 201 251 301 351 401 451 501 551 601 651 701 751 801 851 901 951 1001 1051 1101 1151 1201 1251 1301 1351 1401 1451 1501 1551 1601 1651 1701 1751 1801 1851 1901 1951 2001 2051 2101 2151 -0,5 I(resistiva) f.m.m. inducido resistiva f.m.m. total resistiva Tema 4.3. Máquina síncrona • Principio de funcionamiento: – Funcionamiento en carga: – Carga inductiva: 1,5 1 f.m.m. inductor 0,5 F.e.m. 0 -1 -1,5 1 51 101 151 201 251 301 351 401 451 501 551 601 651 701 751 801 851 901 951 1001 1051 1101 1151 1201 1251 1301 1351 1401 1451 1501 1551 1601 1651 1701 1751 1801 1851 1901 1951 2001 2051 2101 2151 -0,5 I(inductiva) f.m.m. inducido inductiva fmm total inductiva Tema 4.3. Máquina síncrona • Principio de funcionamiento: – Funcionamiento en carga: – Carga capacitiva: 2 1,5 1 f.m.m. inductor 0,5 F.e.m. I(capacitiva) -0,5 -1 -1,5 -2 1 53 105 157 209 261 313 365 417 469 521 573 625 677 729 781 833 885 937 989 1041 1093 1145 1197 1249 1301 1353 1405 1457 1509 1561 1613 1665 1717 1769 1821 1873 1925 1977 2029 2081 2133 2185 0 f.m.m. inducido capacitiva fmm total capacitiva Tema 4.3. Máquina síncrona • Principio de funcionamiento: – Funcionamiento en carga (RESUMEN): • Cuando el generador se conecta a una carga, aparece una intensidad que circula por el inducido. • Si la carga es resistiva la reacción de inducido está desplazada 90º respecto de la fmm del inductor. • Si la carga es inductiva, la reacción de inducido tiene un efecto desmagnetizante. • Si la carga es capacitiva, tiene un efecto magnetizante. Tema 4.3. Máquina síncrona • Circuito equivalente: Tema 4.3. Máquina síncrona • Circuito equivalente: Tema 4.3. Máquina síncrona • Funcionamiento aislado: – Cuando el generador funciona de manera aislada (sin conectar a red), el fdp de la carga resulta muy importante para determinar el comportamiento del generador. – En general, podremos contar con dos puntos de regulación: • Regulador de tensión: al variar la intensidad de excitación, podremos variar la tensión de salida. • Regulador de velocidad: al variar la velocidad del motor primario, podremos controlar la frecuencia de la onda de salida. Tema 4.3. Máquina síncrona • Funcionamiento aislado: – Si la velocidad se mantiene constante y no se actúa sobre la excitación, un aumento de la carga: • Aumentará la intensidad del inducido. • Aumentará la caída de tensión en Zs. • La tensión de salida será menor. En general, la tensión de salida debe mantenerse constante, para lo que será necesario modificar la tensión E0 según aumente la carga. Para ello es necesario modificar el flujo inductor que es proporcional a la intensidad de excitación. Tema 4.3. Máquina síncrona • Funcionamiento aislado: – RESUMEN: • La frecuencia de salida depende de la velocidad del motor primario. • El fdp de la carga será el fdp del generador. • La tensión de salida depende de: – La velocidad de giro. – La corriente de excitación – La corriente del inducido. – El fdp de la carga Tema 4.3. Máquina síncrona • Funcionamiento en red: Tema 4.3. Máquina síncrona • Funcionamiento en red: Tema 4.3. Máquina síncrona • Funcionamiento en red: – Consideremos un generador funcionando de manera que E0 es igual a V en: • Al conectarlos, no aparecerá ninguna corriente por el inducido, ya que la diferencia de tensiones es nula. • Sin embargo, ¿qué sucederá si modificamos alguno de los parámetros de regulación? – Corriente de excitación: Al modificar la corriente de excitación, aumentamos el valor de E0. Sin embargo, al no haber modificado la velocidad de la máquina en ningún momento, E0 y V continúan en fase. Estos dos fenómenos provocan lo siguiente: » Aparece una intensidad debido a que E0 y V ya no son iguales. » La intensidad presenta un desfase de 90º respecto a V, provocada por la reactancia síncrona. » Al estar V e I desfasadas 90º no existe potencia activa sino unicamente reactiva. » La potencia reactiva puede ser inductiva o capacitiva en función de que la modificación de Ie sea hacia arriba o hacia abajo. Tema 4.3. Máquina síncrona • Funcionamiento en red: – Potencia mecánica: Al modificar la potencia mecánica, se producirá una aceleración del eje que provocará un desfase entre E0 y V. Al no haber modificado la corriente de excitación, el valor de E0 permanece constante. Estos dos fenómenos provocan lo siguiente: » Aparece una intensidad debido a que E0 y V ya no son iguales. » La intensidad presenta un desfase de 90º respecto a la diferencia E0-V. » El desfase entre E0 e I (δ) se denomina ángulo de potencia y afecta directamente a la potencia cedida o absorbida a la red. » La potencia reactiva puede ser inductiva o capacitiva en función de que la modificación de la potencia mecánica sea hacia arriba o hacia abajo. Tema 4.3. Máquina síncrona • Funcionamiento en red: – En la realidad, podremos ajustar conjuntamente los dos puntos de regulación pudiendo obtener el punto de funcionamiento deseado: – En resumen: • La potencia de salida permanece constante salvo que modifiquemos la potencia de entrada. • La máquina absorberá (motor) o entregará (generador) potencia, en función del desfase positivo o negativo de E0 y V. • La corriente de excitación permite regular el factor de potencia, ya que afecta directamente al angulo φ.