Maquina sincrona - electrotecnia aplicada a la ing. mecánica (1791)

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.