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UNIDAD 3
MÁQUINAS SÍNCRONAS
Objetivo:
Conocerá físicamente la construcción de las máquinas síncronas
3.1 Generalidades y construcción del motor síncrono.
La máquina sincrónica al igual que la máquina de corriente directa, se puede conectar para operar como generador y como motor. En este apartado analizaremos la máquina síncrona en su operación como motor síncrono.
Estos motores son llamados así, debido a que la velocidad del rotor y la velocidad del campo magnético del estator son iguales. Los motores síncronos son utilizados en máquinas de gran tamaño que tienen una carga variable y necesitan de una velocidad constante, también existen motores síncronos monofásicos de tamaño pequeño utilizados en control y relojes eléctricos [1]-[3].
Los motores sincrónicos son motores trifásicos de corriente alterna que funcionan a la velocidad de sincronismo, sin deslizamiento.
3.1.1 Construcción del motor síncrono.
Los motores síncronos tienen las siguientes características [1]-[4]:
Tienen un estator de trifásico similar al de un motor de inducción. Son usados por lo general en instalaciones de voltajes medianos (Ver fig. 3.1). Tienen un rotor bobinado (campo rotatorio) que tiene el mismo número de polos que el estator, el cual es excitado por media de una fuente externa de corriente continua (Ver fig. 3.2). El rotor puede ser de polos lisos o polos salientes^1 (Ver fig. 3.3 y 3.4).
Arranca como un motor de inducción. El motor síncrono tiene también un devanado tipo jaula de ardilla conocido como devanado amortiguador que sirve para producir la fuerza de torsión para el arranque del motor.
Los motores síncronos funcionan como se menciono anteriormente a la velocidad de sincronismo de acuerdo con la fórmula: RPM = (120 x frecuencia)/Número de polos En la figura 3.5 se pueden apreciar otras partes del motor como son los anillos rozantes y los rodamientos.
(^1) El término saliente deberá entenderse como hacia afuera o prominente y un polo no saliente se construye almismo
nivel de la superficie del rotor.
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Figura 3.1 Estator de un motor síncrono. (Imagen tomada de: Harbin Electric Machinery Co, Ltd , www.electricmachinery.es)
Figura 3. 3 Rotor de un motor síncrono. (Imagen tomada de: Harbin Electric Machinery Co, Ltd , www.electricmachinery.es)
Figura 3.2 Anillos colectores de excitación al rotor. (Imagen tomada de: tecowestinghouse, www.tecowestinghouse.com).
Figura 3.4 Rotor de polos salientes de un motor síncrono. (Imagen tomada de: Redinter , www.redinter.com.ar)
Figura 3.5 Rotor de un motor síncrono en el que se aprecian los anillos rozantes, rodamiento y devanado amortiguador. (Imagen tomada de: www.kilowattclassroom.com)
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3.3 Estudio del efecto de carga en condiciones de:
3.3.1 Excitación normal.
En este caso se supone que el motor estará trabajando con una excitación normal y constante. Como sabemos, la velocidad del motor síncrono no puede variar al conectarse la carga debido a que este se encuentra funcionando a velocidad de sincronismo, sin embargo si se produce una pequeña variación en el ángulo del par como se aprecia en la figura 3.6. El ángulo que se aprecia en la figura es , y representa el desplazamiento mecánico del rotor en relación al estator.
Observando la figura 3.6a, se aprecia que aún cuando el motor está en vacío existe un pequeño desfasamiento angular entre el centro de un conductor y el estator. De la figura 3.6b se deduce que a plena carga este desplazamiento se incrementa un poco más, sin embargo nunca llega a rebasar los 5° en motores síncronos trifásicos de varios polos.
Para apreciar mejor este efecto de carga, analicemos la figura 3.7 sin carga, con Egp = Vp se tiene la condición de un factor de potencia unitario cuando es pequeño y = 0.
En la figura 3.7b se aprecia que si la excitación se mantiene constante, y se aumenta la carga al motor, aun cuando Egp = Vp, aumenta Er e Ia cuando aumentan y como consecuencia el ángulo tiene un desfasamiento.
En la figura 3.7c puede apreciarse que aún cuando Egp = Vp, si el motor se trabaja con una sobrecarga todos los parámetros cambian, lo cual nos lleva a concluir que las corrientes de pérdidas en el cobre de la armadura, la potencia desarrollada y la potencia de salida serán mayores.
Por último en la figura 3.7d se observa de manera global el efecto que se manifiesta en el motor cuando se opera con excitación normal y se va incrementando la carga la carga. Ahí puede observarse que según aumenta la carga y , el voltaje resultante Er que resulta de la diferencia del voltaje generado Egp y el voltaje aplicado Vp, aumenta con rapidez y el ángulo del factor de potencia tiende a aumentar ligeramente sin embargo su retraso no es en forma considerable [1], [2], [3] y [7].
Figura 3.6 Efecto de carga sobre la posición del rotor. (I. L. Kosow, Máquinas eléctricas y transformadores, pág.254).
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3.3.2 Sobrexcitación.
Esta condición de carga del motor síncrono se estudia con referencia a la figura 3.8.
En este diagrama fasorial se aprecia que cuando el motor se excita con un voltaje Egp < Vp, se produce una corriente en la armadura con un ángulo de retraso muy cercano a los 90° y a medida que la carga aumenta el factor de potencia mejora como lo muestra el diagrama con la corriente de armadura I 2 e I 3.
Esta mejora del factor de potencia se debe al mayor voltaje resultante en la máquina, provocando con ello una mayor corriente [1]-[3] y [7].
Figura 3.7 Efecto de aumentos de carga con excitaciónnormal. (I. L. Kosow, Máquinas eléctricas y transformadores, pág.255).
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3.4 Operación de las curvas V en el motor síncrono.
En el tema anterior se realizó el análisis del comportamiento del motor síncrono, rescatando las siguientes características (mismas que se sustentan en la figura 3.10):
- Cuando el voltaje en las terminales de la máquina se encuentra en fase con la corriente de armadura, esta corriente es mínima y el factor de potencia es unitario.
- Cuando el motor síncrono se trabaja subexcitado, el motor se comporta como una carga inductiva y por consecuencia su factor de potencia es atrasado.
- Cuando el motor síncrono se trabaja sobreexcitado, el factor de potencia es en adelanto comportándose como una carga capacitiva^2.
Cuando estas características de corriente de armadura vs corriente de excitación se grafican para diferentes condiciones de carga, se obtiene un conjunto de curvas conocidas como curvas V mismas que se aprecian en la figura 7.11 [1], [2], [3] y [7].
(^2) Esta propiedad hace que este motor sea utilizado de manera frecuente para corregir el factor depotencia enlas grandes
industrias.
Figura 3.10 Lugares geométricos de potencia constante para la corriente dela armadura y el voltaje de excitación. (B. S. Gurú, Máquinas eléctricas y transformadores, pág. 495 ).
Figura 3.11 Curvas V para unmotor síncrono. (B. S. Gurú, Máquinas eléctricas y transformadores, pág.496).
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3.5 Corrección y ajuste del factor de potencia con carga constante mediante un
motor síncrono.
En el tema anterior se indicó que una de las aplicaciones del motor síncrono es como corrector del factor de potencia, sin embargo esto es siempre y cuando el motor se opere sobreexcitado.
Para ejemplificar mejor esto, se presenta el siguiente problema:
Una carga de 500 kVA funciona con factor de potencia igual a 0.75 en retraso. Se desea agregar al sistema un motor síncrono de 200 HP con una eficiencia de 88% y llevar a la carga total final del sistema a un fp igual a 0.85 en retraso. Calcular
a) Los kVA y el ftp del sistema con el motor agregado. b) La capacidad del motor cinco en kVA y el ftp al cual trabaja.
Solución: kW originales = 500 kVA x 0.75=375 kW kVAR originales= 500 kVA x tan = 440 kVAR
- 5 kW 1000x0.
200x kW delmotor sincrono
Para llevar el sistema a un fp 0.85 en atraso
kW finales = 375 kW + 169.5 kW = 544.5 kW
5 kVA
85
5 kVA finales delsistema
85 enatraso
5
5 FPfinales delsistema
kVAR finales del sistema = 582 kVA x tan 2 = 361 kVAR
kVAR del motor síncrono= kVAR finales - kVAR originales = 440 kVAR - 361 kVAR = 69 kVAR
kVA del motor síncrono = 169.5 - j69 = 183 22
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3.7 Obtención del circuito equivalente del generador síncrono monofásico y
trifásico.
El circuito equivalente del generador síncrono, representa el modelo de la máquina para determinar el comportamiento de la tensión en las terminales del generador. Éste voltaje depende del tipo de carga que se encuentre conectada a la máquina y puede mayor o menor que el voltaje generado. Esta diferencia de voltaje generado voltaje en las terminales de la máquina obedece a varios factores, como son:
La reacción de armadura. La caída de voltaje en la resistencia de armadura.
La caída de voltaje o reactancia de distorsión en la armadura. La forma del rotor de polos salientes.
En la figura 3.13 se observa el circuito equivalente de un generador síncrono trifásico, la resistencia RA nos representa la caída de voltaje en la armadura, la reactancia XS nos representa el voltaje o reacción del inducido o armadura más la caída de voltaje o reactancia de distorsión en la armadura, EA nos representa el voltaje interno generado.
En esta figura también se aprecia del lado izquierdo, una fuente de potencia de corriente directa que proporciona la excitación al circuito de campo del rotor, donde se modela con una inductancia y una resistencia conectadas en serie con la bobina. La resistencia de Rajust, es un registro ajustable que tiene como propósito limitar la corriente de campo. RF y LF representan la resistencia y la inductancia de la bobina de campo.
Figura 3.1 3 Circuito equivalente completo de un generador sincrono trifásico. (S. J. Chapman, Máquinas eléctricas, pág. 277 ).
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En el lado derecho se representan tres circuitos que modelan a los elementos de la máquina en cada una de sus tres fases. Como sabemos los voltajes y las corrientes están desfasados 120° fuera de esto los tres circuitos de fase son idénticos.
Al ser una máquina trifásica, se tendrá la opción de conectarla en estrella o en delta como se puede apreciar en la figura 3.14.
Debido a que las tres fases del generador síncrono son idénticas en todos sus parámetros excepto en el ángulo de fase, nos permite la utilización de un circuito equivalente por fase tal como se observa en la figura 3.15 [10]-[13].
En este circuito se puede apreciar cómo la resistencia el circuito de campo interno y la resistencia variable externa se han combinado y se representan en un solo resistor denominado RF. Es importante recalcar que el análisis del circuito equivalente por fase será válido siempre que la carga conectada al generador esté balanceada en sus tres fases, en caso contrario será necesario recurrir a otras técnicas para su análisis.
Figura 3.14 Circuito equivalente de un generador conectado en a) Y y b). (S. J. Chapman, Máquinas eléctricas, pág. 2 78 ).
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El diagrama fasorial para este tipo de carga se observa en la figura 3.17, donde se aprecia como una corriente de armadura se encuentra desfasada con un ángulo negativo respecto al voltaje en las terminales de la máquina, provocando de igual manera un desfasamiento en la caída de tensión debido a la resistencia de armadura y la caída de voltaje en la reactancia síncrona sigue estando en cuadratura con esta última.
3.8.3 Factor de potencia en adelanto.
Un factor de potencia en adelanto se obtiene cuando se conecta a la máquina una carga capacitiva (capacitores o motor síncrono), también se denomina factor de potencia capacitivo.
En la figura 3.17 se aprecia también el diagrama fasorial correspondiente a este tipo de carga. Se puede apreciar cómo ahora la corriente de armadura está desfasada respecto al voltaje en las terminales por un ángulo positivo provocando también un desfasamiento de la caída de tensión en armadura y la caída de tensión en la reactancia síncrono sigue encontrándose en cuadratura respecto a la caída de voltaje de la armadura.
3.9 Análisis de la relación de potencia y par.
Un generador síncrono es una máquina síncrona utilizada para convertir energía mecánica en energía eléctrica, por lo tanto el rotor de esta máquina está conectado a una fuente externa que puede ser un motor de combustión interna, una turbina de vapor, una turbina de gas, una turbina hidráulica o cualquier otro equipo similar.
Por lo tanto esta máquina entra en operación se producen pérdidas por rotación (pérdidas mecánicas y magnéticas), pérdidas en el cobre del devanado de armadura, pérdidas por excitación del campo en el devanado de campo y las pérdidas por carga parásitas [10]- [13].
La figura 3.18 se puede observar el proceso desde la entrada de potencia mecánica hasta la salida de potencia eléctrica en la máquina.
Figura 3.1 7 Diagrama fasorial de un generador sincrono con factor de potencia unitario. (S. J. Chapman, Máquinas eléctricas, pág. 279).
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Así, la potencia mecánica de entrada es la potencia eje en el generador, mientras que la potencia mecánica convertida en potencia eléctrica está dada por la siguiente expresión:
Pconv ind m 3 EAIA cos , siendo gama ( ) el ángulo entre el voltaje y la corriente.
La potencia eléctrica de salida real del generador síncrono queda determinado por:
Psal 3 VTIL cos o en cantidades fasoriales Psal 3 V IA cos
La potencia reactiva de salida se obtiene utilizando el triángulo de potencias, quedando:
Q (^) sal 3 VTILsen o en cantidades fasoriales Q^ sal^3 V IAsen
El par desarrollado por un generador síncrono se opone al par aplicado por el primario y se puede expresar como:
m S
A ind X
3 V E sen
3.10 Paralelaje de alternadores síncronos.
Como sabemos la energía eléctrica de corriente alterna de generarse transmitirse distribuirse de manera eficiente y confiable, reduciendo tiempos de interrupción en la energía, por ello los esquemas eléctricos de potencia se configuran de tal forma que los generadores síncronos se conectan en paralelo para abastecer la gran demanda de potencia eléctrica de los usuarios^3.
Algunas de las razones por las que se conectan en paralelo los generadores síncronos son [10]-[13]:
Dos o más generadores síncronos pueden abastecer una carga mucho mayor que un solo generador.
(^3) Aquí podemos encontrar grandes industrias, centros comerciales hoteles, hospitales, casas habitación, etc.
Figura 3.18 Diagrama de flujo de potencia de un generador sincrónico. (S. J. Chapman, Máquinas eléctricas, pág. 281).
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Figura 3.20 Sincronoscopio análogo. (Circutor, “Sincronoscopios”, en catálogo: Instrumentación analógica, (Internet).
Figura 3.21 Frecuencímetro análogo. (Circutor, “Frecuencímetros”, en catálogo: Instrumentación analógica, (Internet).
Figura 3.22 Secuencímetro. (Circutor, “Secuencímetros”, en catálogo: Instrumentación analógica, (Internet).
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El sincronoscopio se utiliza para la indicación de la diferencia de frecuencia y el ángulo de fase, si la diferencia cero la aguja del instrumento permanece estática en la marca del sincronismo situada en el centro de la escala. La escala del instrumento está dividida en 2 áreas identificadas con los signos (+) y (-). Éstos signos nos permiten observar si la máquina para conectar en paralelo se encuentra a mayor o menor frecuencia que la otra.
El ajuste se efectúa hasta que la aguja está en el lado (-), pero girando muy lentamente en la dirección (+).
Si la aguja se detiene fuera de la marca de sincronismo, ambas máquinas están a la misma frecuencia pero las tensiones no están en fase.
La aguja del instrumento comienza a girar en sentido correcto cuando la diferencia de frecuencias es de 1.5 Hz para un sistema trifásico o de 0.5 para un sistema monofásico.
Existen sincronoscopios digitales conocidos como relé de sincronismo que facilitan la sincronización de alternadores para su conexión en paralelo. En la figura 3.24 se aprecia sincronoscopio digital.
Figura 3. 23 Fasímetro. (Circutor, “Fasímetros”, en catálogo: Instrumentación analógica, (Internet).
Figura 3.2 4 Relé de sincronismo. (Circutor, “Sincronización”, en catálogo: Instrumentación analógica, (Internet).
