UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTNAnlisis de Sistemas de Potencia 2- Mquina Sncrona

AGRADECIMIENTOS

A los todos los Ingenieros que todos los das dan lo mejor de s para brindarnos bondadosamente los preciados conocimientos que han adquirido con la experiencia y su estudio,y para aquellos compaeros que nos ayudan a levantarnos cuando caemos unosgracias.

INDICE1.Introduccin41.1 Mquina Sncrona Descripcin461.2 Nmero de Polos62.Fuentes de generacin trifsicas71.2 Frecuencia y nmero de polos103.Circuito equivalente133.1 Reaccin de armadura133.2 Carga hmica pura143.3 Carga capacitiva pura163.4 Carga hmico inductiva173.5 Flujo disperso en los bobinados estatricos183.6 Resistencia hmica de los bobinados184.Caracterstica de vaco195.Caracterstica de cortocircuito206.Determinacin de la impedancia sincrnica217.Potencia interna228.Caractersticas externas del alternador funcionando en forma independiente238.1 Carga puramente hmica238.2 Carga puramente inductiva248.3 Carga puramente capacitiva259.Alimentacin del bobinado inductor del rotor2610.Alternadores en paralelo2811.Generador trabajando en paralelo con la red entregando potencia activa constante3212.Motor sincrnico3413.Circuito equivalente3414.Potencia interna3515.Cupla interna3616.Potencia reactiva3717.Mquina de Polos Salientes3917.1 Teora de las dos reacciones4017.2 Diagrama fasorial de la mquina de polos salientes4117.3 Reactancias sncronas en la mquina de polos salientes4218.BIBLIOGRAFA43

MQUINA SNCRONA

Introduccin

La generacin, transmisin y distribucin de energa elctrica se efecta a travs de sistemas trifsicos de corriente alterna.Las ventajas que se obtienen en los sistemas trifsicos con respecto a los monofsicos son: Ahorro de materiales en equipos, lneas de transmisin y distribucin. Generacin de campos magnticos rotantes (Principio de funcionamiento de los motores).Potencia instantnea constante (Lo cual hace que los motores tengan una marcha ms suave y silenciosa).

1.1 Mquina Sncrona Descripcin

En las mquinas sncronas el inductor est colocado usualmente en el rotor y se alimenta con corriente continua a travs de un colector de dos anillos. El inducido est en el estator y es un devanado de corriente alterna. El ncleo magntico del estator se construye a base de apilar chapas magnticas. Las mquinas sncronas rpidas son de rotor cilndrico y las lentas son de polos salientes.Cuando la mquina sncrona acta como alternador, una mquina motriz externa hace girar su rotor y con l gira el campo magntico inductor. Este campo est generado por una corriente continua, luego visto desde el rotor es un campo esttico. Sin embargo, al girar el rotor las bobinas del estator ven un campo magntico mvil. Esto da lugar a que estas bobinas estn sometidas a un flujo magntico variable en el tiempo y se induzcan en ellas unas f.e.m.s alternas.Cuando una mquina sncrona polifsica acta como motor, su estator est recorrido por un sistema equilibrado de corrientes. Estas corrientes dan lugar a un campo magntico giratorio (Teorema de Ferraris) que, al interactuar con el campo magntico inductor, hace girar al rotor a su misma velocidad. La velocidad del campo giratorio se denomina velocidad de sincronismo y es la velocidad a que gira la mquina. De ah el nombre de sncronas de estas mquinas.

1.2 Nmero de Polos

La velocidad (n) a la que gira la mquina sncrona determina su nmero de polos (2p) para conseguir la frecuencia (f) deseada. Se procura acoplamiento directo entre el motor de accionamiento y el alternador sncrono: Hidroalternadores y alternadores Diesel: Lentos y de polos salientes.Movidos por motores Diesel o turbinas hidrulicas. Turboalternadores: Rpidos (2 o 4 polos) y de rotor liso. Movidos por turbinas de gas o de vapor. Fuentes de generacin trifsicas

El generador sincrnico trifsico o alternador es la mquina que se utiliza en las centrales elctricas (Turboalternador) o bien como sistema autnomo de generacin (Grupo electrgeno).Es una mquina compuesta por dos partes:Una fija o estator, constituido por un paquete de chapas magnticas conformando un cilindro con una serie de ranuras longitudinales, sobre las cuales estn colocados conductores, conectados entre si, de forma tal de crear un conjunto de bobinas.Una parte mvil o rotor, ubicada dentro del estator y que consiste en un electroimn alimentado por corriente continua.El giro del rotor se produce mediante una mquina impulsora (Motor diesel, turbina de vapor, de gas, hidrulica, elica), que mantiene una velocidad angular constante. La alimentacin del electroimn se logra a travs de un par de anillos rozantes que permiten la continuidad elctrica entre una parte fija y una parte mvil.

Los alternadores de cierta potencia cuentan con excitatriz, que es a su vez un generador de corriente alterna trifsico (Cuyo inductor est montado sobre el estator del alternador y el inducido sobre el rotor), en cuya salida se encuentra un rectificador trifsico, que alimenta el electroimn, con lo cual se evitan los anillos mencionados, que ocasionan prdidas en los mismos y desgaste de los carbones.

El esquema elemental de un generador sincrnico trifsico es el mostrado en la figura 9.1.

Figura 9.1 Esquema de un generador sincrnico trifsico

El esquema presenta solamente 6 ranuras, y sobre cada par de ranuras opuestas se colocan los lados de una bobina, cuyos principios y finales tienen la siguiente denominacin:Bobina 1: u1 u2Bobina 2: v1 v2Bobina 3: w1 w2En la figura 9.2 se ha esquematizado la bobina 1, donde se puede ver como estn ubicados los conductores en las ranuras, siendo las otras dos bobinas idnticas, pero con su ejes magnticos, formando un ngulo de 120 , entre si.Dado que el electroimn produce un flujo magntico [] de valor constante, las bobinas concatenarn un valor de dicho flujo de acuerdo a la posicin instantnea del rotor.

Si analizamos la bobina u1 u2 de N espiras (La cual en el esquema anterior est representada por una sola por simplicidad del dibujo), y llamamos al ngulo entre el eje magntico del electroimn y el eje magntico de la bobina, el valor del flujo concatenado por la misma para un instante cualquiera est dado por, la proyeccin del flujo producido por el electroimn sobre el eje magntico de la bobina, o sea: = cos = cos t Siendo la velocidad angular del rotor.De acuerdo a la ley de Faraday-Lenz, entre los trminales de la bobina se inducira una fuerza electromotriz cuyo valor est dado por:

eu1-u2 = - N d/dt = N sen t Llamando Emax. = N nos queda: eu1-u2 = Emax. sen tSi analizamos la bobina v1 v2 , vemos que el fenmeno se repite pero con un atraso de120, debido a la disposicin geomtrica en que las mismas estn colocadas, o sea que:

ev1-v2 = Emax. (sen t - 2/3)Lo mismo sucede con la bobina w1 w2:ew1-w2 = Emax. (sen t - 4/3)De esta manera se ha logrado tener un sistema de tres tensiones alternas desfasadas una de otra, 120 en el tiempo, segn puede observarse en la figura 9.3.

1.2 Frecuencia y nmero de polos

La mquina que analizamos era de 2 polos magnticos, y por cada vuelta que efecta el rotor se genera un ciclo completo de la fuerza electromotriz inducida en cada una de las fases del estator, por lo tanto si el rotor gira a nS vueltas por minuto, se cumplirn n ciclos por minuto, por lo tanto la frecuencia en ciclos por segundo en el estator ser:

Si la mquina tiene mas de un par de polos, la expresin general de la frecuencia obtenida es:F: frecuencia(Hz)P: cantidad de polosNs: Velocidad de giro del rotor (rpm)

El el esquema de la figura 9.4 se muestra una mquina de 4 polos (Dos pares de plos):

Esta mquina presenta dos pares de polos en el rotor y adems en el estator la cantidad de ranuras es el doble que en el caso anterior, de tal forma que cada fase ocupa el doble de ranuras, estando formada cada una de ellas por dos bobinas conectadas en serie, con el mismo eje magntico de la siguiente forma:

La figura 9.5 muestra como est conformada una de las fases, la cual tiene dos bobinas con un mismo eje magntico, pero el flujo originado por las corrientes tiene sentido opuesto.

Las tres bobinas del estator se unen en un punto comn (x = y = z x1 = y1 = z1), conformando un tipo de conexin que se denomina estrella, segn se muestra en el esquema de la figura 9.6.

Comparando ambas mquinas podemos observar que en la de dos polos, cada lado de bobina ve pasar un polo (Norte sur) del rotor una vez por cada vuelta, en cambio en la mquina de cuatro polos corresponde dos veces por cada vuelta, lo que nos indica que la frecuencia para la misma velocidad angular es el doble.Por lo tanto para obtener la misma frecuencia, las velocidades del rotor deben ser diferentes, e ir diminuyendo a medida que la cantidad de polos aumenta o sea que la velocidad del rotor para una misma frecuencia es la siguiente:Adems la relacin entre los grados geomtricos de giro del rotor y los grados elctricos de la fuerza electromotriz es:

Grados elctricos = p Grados geomtricos

Las mquinas accionadas por turbinas de vapor gas son de alta velocidad, lo cual hace que las mismas tengan 1 par de polos, con lo cual el rotor presenta la forma de un cilindro ranurado (Rotor liso), como se represento en el primer esquema, por lo que las exigencias de equilibrio dinmico sean mejor satisfechas.Las mquinas accionadas por turbinas hidrulicas son de baja velocidad, lo cual hace a la necesidad de tener muchos pares de polos y gran dimetro del estator, siendo el rotor construido mediante polos salientes de acuerdo al segundo esquema.Circuito equivalente

Hemos visto que debido al flujo magntico originado en el rotor, se induca en el estator una fuerza electromotriz, que es funcin de dicho flujo y de la velocidad de giro de la mquina impulsora.Si la mquina no tiene carga, la tensin que aparece en los terminales de la mquina es directamente la fuerza electromotriz inducida.Cuando se carga la mquina la tensin que tenemos en sus terminales se modifica debido bsicamente a los siguientes factores:

3.1 Reaccin de armadura

Si las tres bobinas del estator se unen en un punto comn (u2 = v2 = w2), formando una conexin que se denomina estrella y colocamos una carga por las mismas circular una corriente que depender de las caractersticas de dicha carga (hmica, hmica-inductiva, hmica- capacitiva), lo cual har que la corriente este desfasada un cierto ngulo en atraso en adelanto.Debido a esa corriente, en el estator se crear un campo magntico alternativo en cada una de las fases, los que al componerse dar origen a un campo magntico rotante que llamaremos reaccin de armadura y que gira a la misma velocidad del rotor.En la figura 9.7 vemos la situacin para una posicin del rotor en la cual la bobina estatrica (u1 u2), concatena el mximo flujo rotrico ya que sus ejes magnticos son coincidentes.En esta situacin, la fuerza electromotriz inducida en la mencionada bobina tiene un valor igual a cero, en cambio las otras dos tienen un valor mitad con los sentidos indicados (Punto saliente y cruz entrante). Estos sentidos los podemos obtener del grfico de la figura 5.3 de valores instantneos de las fem inducidas, en el cual vemos que en la situacin para t = 0, en la bobina (v1 v2), la fem es negativa, o sea entrante (cruz), por el terminal v1, por lo que en el terminal v2 va a ser saliente (punto), y en la bobina w1 w2, es positiva o sea saliente (punto) por el terminal w1, y entrante(cruz) por el terminal w2.Pasemos a analizar lo que pasa con distintos tipos de carga en el estator.

3.2 Carga hmica pura

Con este tipo de carga la corriente va a estar en fase con la tensin en bornes de la mquina, lo cual hace que las corrientes sean entrantes y salientes de acuerdo a lo mostrado en la figura 5.7, y coincidiendo su sentido con el indicado en la figura 9.8, en la cual la corriente enu1 u2, tiene un valor igual a cero y en la bobina v1 v2 la corriente es entrante por v1 (negativa) y saliente por w1 (positiva).Debido a esto en el estator se produce un campo magntico rotante, como vimos anteriormente, cuya posicin es la indicada en la figura, para el instante que se est estudiando. Podemos observar que el eje magntico del rotor y el eje magntico del campo rotante del estator estn formando un ngulo de 90.Esto hace que la tensin en bornes difiera de la fuerza electromotriz inducida, debido a que el campo en el entrehierro de la mquina no solo el producido por el rotor, sino que se compone con el de reaccin de armadura.

En la figura 9.9 y para la misma posicin del rotor (t = 0), vemos cual es la situacin de las corrientes en el estator, que en este caso tienen un ngulo de atraso de 90.Debido a que en la bobina u1 u2 , la fem inducida pasa por cero, la corriente que circula por la misma, para ese instante pasa por su valor mximo, mientras que en las otras dos bobinas su valor es la mitad y de signo contrario para que la suma de las tres sea igual a cero. En la figura 9.10 se observa el signo de las corrientes.En esta situacin el campo magntico giratorio del estator tiene su posicin indicada en la figura. De aqu se observa que las fuerzas magnetomotrices del rotor y de la armadura se oponen, lo cual nos est indicando que el efecto de esta ltima es netamente desmagnetizante.

3.3 Carga capacitiva pura

En la figura 9.11 y para la misma posicin del rotor, vemos cual es la situacin de las corrientes en el estator, que en este caso tienen un ngulo de adelanto de 90.Debido a que en la bobina u1 u2 , la fem inducida pasa por cero, la corriente que circula por la misma, para ese instante pasa por su valor mximo, mientras que en las otras dos bobinas su valor es la mitad y de signo contrario para que la suma de las tres sea igual a cero.El sentido de las corrientes lo podemos obtener de la figura 9.12.En esta situacin el campo magntico giratorio del estator tiene su posicin indicada en la figura. De aqu se observa que las fuerzas magnetomotrices del rotor y de la armadura se superponen, lo cual nos est indicando que el efecto de esta ltima es netamente magnetizante.

3.4 Carga hmico inductiva En la figura 9.13 y para la misma posicin del rotor, vemos cual es la situacin de las corrientes en el estator, que en este caso tienen un ngulo de atraso de 60.Debido a que en la bobina u1 u2 , la fem inducida pasa por cero, los valores y sentidos de las corrientes se observan en la figura 9.14. En esta situacin el campo magntico giratorio del estator tiene su posicin indicada en dicha figura, en la que se observa que la misma es desmagnetizante y deformante.

Este efecto lo representamos para simplificar el anlisis, mediante una reactancia de reaccin de armadura, que nos representa la fuerza electromotriz inducida en el estator debido a las corrientes que circulan por el mismo, cuyo valor est dado por:

3.5 Flujo disperso en los bobinados estatricos

Las bobinas del estator tienen tambin autoinductancia, con su correspondiente reactancia (funcin de la frecuencia de las corrientes que circulan por el mismo), lo que produce una variacin de la tensin en bornes. Esta reactancia que representa el flujo disperso en el estator y la de reaccin de armadura se engloban en lo que se denomina reactancia sincrnica de la mquina.

3.6 Resistencia hmica de los bobinados

Adems las bobinas presentan resistencia hmica, que depende de la longitud de las bobinas y de la seccin efectiva de las mismas.

Este conjunto de efectos hace que la tensin de la mquina cuando esta suministrando potencia sea diferente a la que aparece en la misma cuando no circula corriente por el estator (En vaco).UF = EF RS I - j XA I - j Xd I = EF RS I - j XSDe acuerdo a estas simplificaciones podemos representar la mquina mediante un circuito equivalente para una fase del mismo de acuerdo al esquema de la figura 9.15.

Caracterstica de vaco

La caracterstica de vaco de la mquina, es la relacin de la tensin en sus bornes, con la corriente de excitacin que se hace circular en la bobina del rotor manteniendo la velocidad angular del mismo constante y sin que circule corriente por las bobinas del estator (No entrega potencia).En este caso esta tensin coincide con la fuerza electromotriz inducida por efectos del flujomagntico originado en el rotor.El circuito de ensayo es el mostrado en la siguiente figura 9.16

Alimentando con una fuente de corriente continua la bobina del rotor, variando la intensidad de la misma y efectuando las lecturas de los voltmetros se obtiene la curva de la figura 9.17.

De la curva observamos que en la primera parte hay una relacin lineal entre la corriente de excitacin y la fuerza electromotriz, luego aparece un codo de saturacin y por ltimo una zona saturada en la cual para un incremento de la corriente de excitacin, se logran pequeos incrementos de la tensin.El anlisis que efectuamos sobre la mquina lo hacemos dentro de la zona lineal a los efectos de simplificar los conceptos.Esta curva se corresponde con la de imanacin de la mquina (Para una determinada velocidad del rotor), ya que la tensin es funcin del flujo y la intensidad de campo magntico es proporcional a la corriente de excitacin.Caracterstica de cortocircuito

La caracterstica de cortocircuito es la relacin entre la corriente estatrica y la corriente de excitacin con los bornes cortocircuitados.Este ensayo se realiza cortocircuitando los bornes del generador a travs de ampermetros, y manteniendo la velocidad constante, se vara la corriente de excitacin y se efectan las lecturas de la corriente estatrica, utilizando el circuito de la figura 9.18.

Dado que la reaccin de armadura es netamente desmagnetizante, debido a que la propia reactancia sincrnica de la mquina acta de nica carga, la relacin entre ambas corrientes es lineal, ya que el circuito magntico no se satura, segn se observa en la figura 9.19.

Dada la relacin prcticamente lineal entre ambas corrientes, con determinar un punto de la misma, se la puede graficar, trazando la recta al origen.Determinacin de la impedancia sincrnica

Conociendo las caractersticas de vaco y cortocircuito de la mquina y volcndolas sobre un mismo grfico (Figura 9.20) se puede obtener de las mismas el valor de la impedancia sincrnica.En cortocircuito la tensin en bornes es cero, luego la fuerza electromotriz inducida es igual a la cada de tensin en la impedancia sincrnica sea:

Grficamente para un valor de la corriente de excitacin del rotor (Punto A), se levanta una vertical y donde corta a la caracterstica de cortocircuito (Punto B), obtenemos el correspondiente valor de la corriente en el estator, y donde corta a la caracterstica de vaco (Punto C), obtenemos la fuerza electromotriz inducida. Trabajando con las escalas grficas correspondientes obtenemos:

Si determinamos la resistencia por medicin directa de la misma, la reactancia sincrnica ser:

Cabe aclarar que este valor es prcticamente constante si nos mantenemos dentro de la zona lineal de la caracterstica de vaco, pero el valor de la misma disminuye a medida que se produce la saturacin, segn puede verse en el grfico de la figura 9.21.

Potencia interna

Si despreciamos la resistencia hmica de los bobinados el diagrama fasorial para una carga de caractersticas hmico-inductivas es el de la siguiente figura 9.22.

La potencia activa entregada por el generador est dada por la siguiente expresin:

Caractersticas externas del alternador funcionando en forma independiente

La caracterstica externa del generador nos indica como vara su tensin en bornes, en funcin de la intensidad de la corriente que absorbe la carga (Figura 9.23).Para su estudio utilizaremos el circuito equivalente analizado y en l consideraremos la resistencia hmica despreciable y la reactancia sincrnica constante (Zona lineal).

El circuito se analiza para una fase del generador, y la ecuacin que nos da la tensin de salida en bornes del generador es:UF = EF - j XS I8.1 Carga puramente hmica

En este caso la corriente del estator est en fase con la tensin en bornes del generador, de acuerdo al fasorial dibujado en la figura 5.24.

Manteniendo la corriente de excitacin constante (E se mantiene constante), la ecuacin anterior corresponde a una elipse de semiejes EF y EF/XS, como se observa en la figura 9.25.

Si se vara la corriente de excitacin, se obtienen elipses por encima o por debajo de la anterior.

8.2 Carga puramente inductiva

En este caso la corriente atrasa 90 a la tensin en bornes de la mquina, siendo el esquema fasorial el de la figura 9.26 y la variacin de la tensin en sus bornes el de la figura 9.27.

En este caso la cada de tensin es ms fuerte que en el caso anterior. La reaccin de armadura es totalmente desmagnetizante.La variacin de la corriente de excitacin implica obtener rectas paralelas.

8.3 Carga puramente capacitiva

La corriente del estator adelanta 90 a la tensin en bornes de la mquina, siendo su diagrama fasorial el de la figura 9.28 y la variacin de la tensin en sus bornes se observa en la figura 9.29.

La variacin de la corriente de excitacin, nos lleva a obtener rectas paralelas. En este caso el efecto es puramente magnetizante, lo cual hace que la tensin en bornes de la mquina sea superior a la fuerza electromotriz inducida.Todo lo analizado ha sido suponiendo condiciones ideales, pero en la prctica los generadores poseen resistencia hmica interna y la reactancia sincrnica no es constante debido a los efectos de la saturacin.Ante esto las curvas analizadas difieren ligeramente de las estudiadas, pero con la misma tendencia.Las curvas reales se pueden obtener en forma experimental y su aspecto es el que se muestra en la siguiente figura 9.30.

Alimentacin del bobinado inductor del rotor

La corriente continua para alimentar el bobinado inductor del rotor se puede obtener desde una fuente exterior a travs de anillos rozantes que se encuentran montados sobres su eje, aislados elctricamente del mismo y conectados a los terminales de la bobina, que permiten el pasaje de la corriente mencionada desde una parte fija exterior, a la parte en movimiento, mediante un sistema de escobillas o carbones que apoyan sobre dichos anillos, tal como puede observarse en la figura 9.31

Otra forma de alimentar dicho bobinado, es mediante un pequeo alternador, el cual tiene los bobinados trifsicos montados sobre el rotor y la bobina de excitacin en el estator del generador principal.Mediante el sistema de tensiones originado en el estator se alimenta un equipo rectificador, que provee la corriente continua de la bobina de excitacin del generador auxiliar, generando un sistema trifsico de tensiones en los bobinados que se encuentran sobre el rotor y a su vez estos alimentan otro equipo rectificador que suministra la energa a la bobina de excitacin principal.Al hacer girar la mquina, el magnetismo remanente del electroimn del rotor induce en el estator una tensin que alimenta el rectificador y que hace incrementar el efecto mencionado.En la figura 9.32, se observa la disposicin mencionada.

Alternadores en paralelo

En numerosas instalaciones se precisa conectar en paralelo varios generadores con el fin de atender una carga variable segn las horas circunstancias.Para que esto se pueda cumplir se deben cumplir las siguientes condiciones:

Igualdad de secuencia Igualdad de frecuencia Igualdad de los mdulos de tensin Igualdad de fase

Analizaremos el caso de tener que conectar un generador con una red de potencia mucho mayor que la propia, con lo cual la tensin y la frecuencia estn impuestas por dicha red.La forma prctica de la maniobra, se basa en la indicacin de tres lmparas conectadas entre los terminales del generador y la red de acuerdo al esquema de la figura 9.33.Con los frecuencmetros y los voltmetros verificamos la igualdad de frecuencia y mdulo de tensin entre la red y el generador.

Para variar los valores en la mquina debemos actuar:

a) Para variar la frecuencia sobre la velocidad de la mquina impulsora.b) Para variar el mdulo de la tensin, fundamentalmente sobre la excitacin(Tambin vara con la velocidad de la mquina impulsora)

Si la secuencia de la red y de la mquina son coincidentes los fasoriales superpuestos se muestran en la siguiente figura 9.34.

Vemos que las tensiones que aparecen sobre las lmparas son iguales y su valor es la diferencia de potencial entre las tensiones de fase de la red y las del generador.Si hay diferencia de velocidades angulares, el brillo de las lmparas vara en forma simultnea con un mismo valor para las tres, pasando por un mximo cuando los fasores de la misma fase estn en sentido opuesto y un mnimo cuando son coincidentes (En fase).En el caso de que el brillo de las lmparas sea cero, los mdulos de las tensiones son iguales.

Para acoplar el generador a la red, se debe maniobrar de forma tal que si las lmparas no se llegan a apagar, se debe actuar sobre la excitacin de la mquina para variar su tensin hasta que las lmparas lleguen a estar apagadas (Mayor corriente de excitacin, mayor tensin), en algn instante. Luego si la variacin en el brillo de las lmparas es muy rpido se debe actuar sobre la velocidad de la mquina impulsora (Modificacin de frecuencia), hasta que la variacin sea lenta, y en el momento en que las lmparas se apaguen se debe cerrar el interruptor de acoplamiento, ya que en ese momento se cumplen las condiciones de sincronismo.En esa situacin el generador tiene la misma tensin en sus bornes e igualdad de frecuencia (Impuestos por la red)Si las secuencias son distintas se observa lo de la siguiente figura 9.35

Aqu observamos que las lmparas no tienen el mismo brillo, sino que se produce un efecto de rotacin del mismo. Para modificar esta situacin se deben permutar dos fases cualesquiera, de forma tal que se tengan iguales secuencias.El mtodo que hemos analizado se denomina de lmparas apagadas, motivo por el cual se debe tener sumo cuidado de verificar que ninguna de ellas se encuentra quemada, ya que en caso contrario podramos estar cerrando el interruptor sin cumplir las condiciones y por lo tanto circularan corrientes que podran daar el generador.En las centrales elctricas la maniobra de sincronizacin se efecta en forma automtica mediante sincronoscopios, que en el momento de estar cumplimentadas las condiciones mencionadas, el mismo, enva la orden de cerrar el interruptor de acoplamiento, con lo cual la mquina en paralelo con la red.Tambin se puede efectuar la sincronizacin mediante un sistema de lmparas encendidas de acuerdo al circuito mostrado en la figura 9.36.Se observa que una lmpara est conectada igual que en el caso anterior la fase R del generador con fase R de la red y que las otras dos tiene las conexiones cruzadas, la fase S del generador con la fase T de la red y la fase T del generador con la fase S de la red, segn puede observarse en la figura 9.37.Cuando las dos ternas estn superpuestas y tengan igualdad de mdulos de tensin, la lmpara sobre la fase comn R estar apagada y las otras dos lmparas tendrn el mismo brillo, momento en el cual se deber cerrar el interruptor.

Generador trabajando en paralelo con la red entregando potencia activa constante

En el caso de tener el alternador en paralelo con la red (Potencia muy superior), la misma fija la tensin y la frecuencia, que no se puede modificar con el alternador. De acuerdo a estas premisas se cumplen las siguientes condiciones:

Si analizamos el diagrama fasorial correspondiente a un estado, en el cual se mantiene constante la potencia activa, la frecuencia y la tensin en bornes del generador, segn lo dibujado en la figura 9.38.

De aqu podemos sacar las siguientes conclusiones:

El fasor de la corriente en el estator (I), se desplaza sobre una recta vertical, de forma de mantener I cos(fhi) = constante. El fasor de la fuerza electromotriz inducida (E), se desplaza sobre otra recta horizontal deforma tal que EF sen(fhi) = constante.

Si disminuimos la corriente de excitacin, disminuye la fuerza electromotriz inducida, hasta el valor EF1, con lo cual la cada de tensin en la reactancia sincrnica es: j XS I1, lo que lleva a que la corriente en el estator I1, ocupe una nueva posicin disminuyendo su mdulo.En forma anloga si volvemos a disminuir la corriente de excitacin hasta un valor tal quela fuerza electromotriz sea EF2, la corriente ser I2, la cual est en fase con la tensin en bornes del generador y su valor ser mnimo.Disminuyendo nuevamente la corriente de excitacin hasta obtener EF3, la corriente ser I3, la cual ha aumentado su valor pero se encuentra en adelanto con respecto a la tensin en bornes del generador.O sea que con la modificacin de la corriente de excitacin lo que hemos modificado es la potencia reactiva que la mquina entrega, pasando de potencia reactiva inductiva, a potencia reactiva capacitiva, siendo el valor de mnima corriente cuando entrega solamente potencia activa.Por lo tanto la potencia reactiva demanda por la red a la cual se encuentra alimentando el generador, se modifica mediante la corriente de excitacin del generador.En cambio la potencia activa que la misma suministra a la red se modifica actuando sobre la mquina impulsora, modificando la cupla del mismo, ya que su velocidad se debe mantener constante ya que la frecuencia as lo es. Motor sincrnico

Caractersticas de arranqueSi la mquina sincrnica que hemos estado analizando como generador, la desacoplamos de la mquina impulsora y alimentamos sus bobinados estatricos mediante un sistema de tensiones trifsico, esta funcionar como motor, a una velocidad constante que es la sincrnica.Debido a su forma constructiva y de funcionamiento, este tipo de motor no presenta una cupla de arranque, de valor suficiente para que su rotor comience a girar.El hecho es que dado que en el estator se origina un campo magntico rotante de velocidad sincrnica y en el rotor, el campo cuando este est detenido, tiene un valor fijo y esttico, hace que los mismos no se enganchen, debido a la gran diferencia de velocidades.Para ello, se debe lograr por medio de algn mtodo que el rotor gire a una velocidad cercana a la del campo magntico del estator, y en esa situacin, se alimenta la bobina del rotor y el campo magntico producido por la misma, logra acoplarse al del estator y entonces alcanza la velocidad de sincronismo.Uno de los mtodos consiste en construir en el rotor una jaula de ardilla como tienen los motores asincrnicos, a los efectos que arranque como tal. Este tipo de jaula que se llama amortiguadora y algunos generadores cuentan con ella a los efectos de amortiguar los cambios bruscos en la carga, ya que al as suceder, se altera la velocidad de su eje y por lo tanto aparecen corrientes parsitas en la jaula, que tienden a oponerse a la causa que las gener, restablecindose ms rpidamente la velocidad sincrnica.El bobinado de excitacin del rotor, debe estar cortocircuitado, durante este proceso de arranque, a los efectos de que la tensin, que se induce en el mismo, debido al campo estatrico, no llegue a un valor peligroso.En el caso de mquinas de pequea potencia, debido a las corrientes parsitas que se originan en el ncleo del rotor, estas provocan una pequea cupla que puede poner en movimiento el eje. Circuito equivalente

El circuito equivalente para una fase del motor es semejante al de la mquina como generador, pero en este caso la corriente tiene sentido entrante, debido a que la mquina absorbe potencia elctrica. El mismo se observa en la figura 9.39.

En este caso se cumple:

El diagrama fasorial correspondiente es el siguiente:

Potencia interna

En forma anloga al anlisis efectuado para el generador sincrnico, y despreciando la resistencia del bobinado estatrico, frente al valor de la reactancia sincrnica, el fasorial nos queda:

Del diagrama obtenemos:

Cupla interna

La relacin entre la potencia y la velocidad del motor, define el valor de la cupla, o sea:

Dado que la velocidad del rotor es constante e igual a la del campo magntico rotante del estator, la curva de la cupla en funcin de la velocidad es la de la figura 9.42

Si se mantiene la tensin constante, y la corriente de excitacin tambin constante(E = constante), un aumento en la cupla resistente, implica que se produzca un aumento del ngulo(fhi), cuyo valor mximo estara dado cuando dicho ngulo sea de 90. Este es un valor terico ideal, ya que en ese caso la corriente estatrica tendera a un valor infinito, segn se puede observar del esquema fasorial. Por lo tanto el lmite est determinado por el valor de la corriente nominal del motor.Si graficamos la curva de cupla en funcin del ngulo de potencia del motor, obtenemos el esquema de la figura 9.43.

Potencia reactiva

Si hacemos trabajar el motor a potencia en el eje constante (No se modifica la carga acoplada al mismo), y como la tensin de alimentacin de la red de suministro es constante, se cumple:

Partiendo de estas condiciones, la nica posibilidad de modificacin en la mquina es su corriente de excitacin, y si analizamos el diagrama fasorial correspondiente, vemos que el extremo del fasor que representa EF se mantiene sobre una recta horizontal y el extremo de la corriente del estator sobre una recta vertical.Partamos nuestro anlisis, tomando una corriente de excitacin tal que la fem en el estatortiene el valor EF con lo que el motor absorbe corriente en atraso con un ngulo , Si ahora se aumenta dicha corriente de excitacin, aumenta la fem al valor EF1, y la cada de tensin en la reactancia sincrnica ser j XS I1, la corriente estatrica debe estar a 90 de esta y pasa a ocupar la posicin I1 (disminuye su valor ya que disminuye la potencia reactiva del motor).Si ahora pasamos a una corriente de excitacin mayor tal que provoque la EF2, haciendo el mismo anlisis la corriente estatrica ocupa la posicin I2 , en fase con la tensin, lo cual indica que no hay potencia reactiva en juego, y el valor de la corriente estatrica toma su valor mnimo, para la potencia activa que se analiza.Si volvemos a aumentar la corriente de excitacin la fem toma el valor EF3, y en este caso la corriente estatrica vuelve a aumentar su valor (I3), pero la misma adelanta a la tensin de la red, con lo cual toma potencia reactiva capacitiva.

De aqu se concluye que el motor trabajando a potencia activa constante, o sea a velocidad y cupla constante, variando la excitacin del mismo se puede hacer que la mquina se comporte como un inductor o un capacitor a los efectos de la red de suministro elctrico. Debido a eso se puede utilizar la mquina como un compensador de potencia reactiva.Al contrario del generador, el motor trabajando subexcitado absorbe potencia reactiva inductiva y sobreexcitado potencia reactiva capacitiva.Si efectuamos un grfico en el cual llevamos en ordenadas la corriente estatrica y en abscisas la corriente de excitacin correspondiente, lo que se obtiene es lo que se llama curva V de la mquina, lo cual se observa en la figura 9.45, para distintas potencias activas.En dicha figura se puede observar que con factor de potencia unitario la corriente que toma el motor es mnima, y ese valor es el que fija si la mquina est subexcitada o sobreexcitada.Este mnimo se desplaza hacia la derecha a medida que se incrementa la potencia en el eje de la mquina.Los lmites inferiores de la corriente de excitacin estn determinados por la obtencin de un campo magntico muy dbil, lo cual hace que la mquina funcione en forma inestable.Los lmites superiores estn limitados por el valor excesivo de la corriente estatrica, que puede ocasionar calentamiento excesivo.

Mquina de Polos Salientes

Se va a realizar un anlisis lineal de la mquina sncrona de polos salientes similar al de Behn-Eschenburg de la mquina cilndrica.Recurdese que la direccin en el espacio de la f.m.m. de reaccin de inducido Fi depende del factor de potencia de la corriente del inducido.A pesar de aceptar que las piezas de hierro no se saturan (o, a lo sumo, tienen una saturacin constante), el hecho de que el entrehierro ahora es variable hace que la reluctancia con que se va a encontrar la f.m.m. Fi no sea constante y dependa de la direccin que tenga dicha f.m.m.Esto, adems, provoca que las distribuciones espaciales de la f.m.m. y de la induccin magntica en el entrehierro no tengan la misma forma.El primer armnico de f.m.m. da lugar a una distribucin de la induccin en el entrehierro que no es perfectamente sinusoidal. Para el estudio de la mquina se despreciar esta deformacin de la induccin con respecto a la f.m.m. y slo se tendrn en cuenta los primeros armnicos de las distribuciones espaciales en el entrehierro de estas magnitudes.Salvo en casos particulares, ahora los primeros armnicos de las distribuciones espaciales en el entrehierro de la f.m.m. de reaccin de inducido Fi y de la induccin magntica que origina no estn en fase. En efecto, las lneas de campo magntico tienden a orientarse hacia las zonas de los polos salientes (que tienen menos reluctancia) y esto las hace desviarse de la direccin que, en principio, la f.m.m. Fi pretende que tengan.Por lo tanto, ahora ya no se verifica la correlacin fasorial entre los fasores espaciales de f.m.m. y los fasores temporales de flujo.Afortunadamente, existen dos direcciones particulares en las que la f.m.m. y la induccin magntica estn en fase: la direccin de los polos salientes y la direccin a 90 elctricos de la anterior, justo a mitad de camino entre dos polos salientes consecutivos.Definimos el eje directo o longitudinal d-d en la direccin de los polos salientes y el eje cuadratura o transversal q-q a 90 elctricos del d-d.Por lo tanto, el anlisis de la estas mquinas es ms sencillo si las f.m.m.s se dividen en dos componentes segn los ejes d y q. En esto se basa la Teora de las dos reacciones o de Blondel.17.1 Teora de las dos reacciones

La figura muestra la descomposicin de laf.m.m. de reaccin de inducido F i en sus componentes longitudinal F d y transversal F q.(Aunque se suponga que la saturacin es constante (anlisis lineal), las reluctancias segn los ejes d y q son distintas (pero constantes si la saturacin lo es), siendo mayor la reluctancia del eje q donde el entrehierro es ms grande).

17.2 Diagrama fasorial de la mquina de polos salientes

Se va a dibujar un diagrama fasorial de la mquina sncrona de polos salientes lineal, similar al de Behn-Eschenburg de la mquina cilndrica, en el que todas las magnitudes se van a descomponer segn los ejes longitudinal d y transversal q.Recurdese que en este diagrama fasorial sucede que un fasor espacial de f.m.m. es paralelo al fasor temporal de la corriente que la genera y es perpendicular al fasor temporal de f.e.m. que origina.La f.m.m. de excitacin Fe siempre est orientada segn el eje d, por lo que la f.e.m. E0 que origina tambin corresponde al eje d.As, pues, en el diagrama fasorial se descompondrn los fasores as: Los fasores de f.m.m. F y de corriente de inducido I tienen sus componentes longitudinal y transversal perpendicular y paralela, respectivamente, al fasor de f.e.m. de vaco E0. Los fasores de f.e.m. E tienen sus componentes longitudinal y transversal paralela y perpendicular, respectivamente, al fasor de f.e.m. de vaco E0.

Se supone conocida de antemano la direccin del fasor de f.e.m. E0 para que se pueda descomponer el fasor de corriente de inducido I en sus componentes longitudinal Id y transversal Iq.Ahora se usan las reactancias sncronas longitudinal Xd y transversal Xq.

El segmento OP tiene la direccin del fasor E0.Es preciso dibujar esta figura para obtener la direccin de E0 antes de poder dibujar el diagrama de Doherty y Nickle, el cual, permite determinar la f.e.m. E0 a partir de la tensin V, la corriente I y su factor de potencia.17.3 Reactancias sncronas en la mquina de polos salientes

Se puede comprobar que en los ensayos de vaco, de cortocircuito y de carga reactiva el campo magntico est siempre en la direccin del eje longitudinal. Esto hace que la reactancia sncrona longitudinal Xd se pueda obtener mediante los mismos mtodos que la reactancia sncrona Xs de las mquinas cilndricas.De hecho es habitual el usar tambin la nomenclatura Xd para referirse a la reactancia sncrona Xs de una mquina cilndrica.Por lo tanto, tambin habr una reactancia sncrona longitudinal no saturada Xd(no sat), que es constante, y una reactancia sncrona longitudinal saturada Xd, variable en funcin de E0 o de Ie.La reactancia sncrona transversal Xq se refiere a un circuito magntico con un entrehierro grande. Esto hace que Xq < Xd y que a Xq apenas le influya el grado de saturacin del circuito magntico y, por lo tanto, se la considere constante.Xq se obtiene mediante unos ensayos especficos, como el ensayo de deslizamiento o el ensayo de mxima corriente reactiva.

BIBLIOGRAFA

https://www.youtube.com/results?search_query=maquina+sincrona+polos+salientes http://cdigital.dgb.uanl.mx/te/1020070654/1020070654_02.pdf http://personales.unican.es/rodrigma/PDFs/Maquina%20sincrona%20aislada.pdf http://ocw.uc3m.es/ingenieria-electrica/maquinas-electricas-de-corriente-alterna/material-de-clase-1/capitulo-iii-maquina-sincrona Maquinas Elctricas - 6a Ed. Fitzgerlad Mquinas Elctricas - Jess Fraile Mora Maquinas Electricas y Transformadores (Bhag S. Guru ) http://www.uib.cat/depart/dfs/GTE/education/industrial/con_maq_electriques/teoria/Teoria%20Oviedo/Segundo%20Parcial/Presentaciones%20en%20formato%20PDF/Tema8.pdf

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