Presentacin de PowerPoint

Sandra GamboaOfelia MartnezCarlos Valdivia

Mquinas SncronasMquinas SncronasLa energa elctrica puede ser transportada y convertida en otras formas de energa en forma limpia y econmica.

La mquina sncrona es hoy por hoy, la ms ampliamente utilizada para convertir grandes cantidades de energa elctrica y mecnica.

La mquina sncrona es un convertidor electromecnico de energa con una pieza giratoria denominada rotor o campo, cuya bobina se excita mediante la inyeccin de una corriente continua, y una pieza fija denominada estator o armadura por cuyas bobinas circula corriente alterna. Las corrientes alternas que circulan por los enrollados del estator producen un campo magntico rotatorio que gira en el entrehierro de la mquina con la frecuencia angular de las corrientes de armadura. El rotor debe girar a la misma velocidad del campo magntico rotatorio producido en el estator para que el torque elctrico medio pueda ser diferente de cero. Si las velocidades angulares del campo magntico rotatorio y del rotor de la mquina sincrnica son diferentes, el torque elctrico medio es nulo. Por esta razn a esta mquina se la denomina sincrnica; el rotor gira mecnicamente a la misma frecuencia del campo magntico rotatorio del estator durante la operacin en rgimen permanente.

La mquina sncrona que opera en estado estable se caracteriza por la velocidad mecnica del elemento en movimiento.Esta velocidad es idntica en valor a la velocidad promedio del campo magntico establecido por el conjunto de devanados de fase que conduce las corrientes alternas.Motor sncronoMQUINA SNCRONAMONOFSICATRIFSICAAplicaciones de baja potencia de velocidad precisa.Aplicaciones industriales comunes para motores.Reloj elctrico

Lectores de disco de computadora Compresores de aireAlternadoresGeneradores automotricesGeneradores disel de emergenciaGeneradores de turbina hidrulicaTurboalternadoresPlantas generadoras de energa elctricaClasificacinEl campo magntico fijo en el tiempo necesario para la operacin de las mquinas sncronas puede ser establecido por devanados que conducen corriente de cd (campo devanado) o por imanes permanentes.

DEVANADO Y FMM DEL ESTATOR

Estructura de una Mquina Sncrona

Estructura de la mquinaEstator laminadoDetalle de la flecha

MAQUINAS SINCRONAS hasta el minuto 2Los generadores sncronos en plantas generadoras de energa elctrica alimentadas con combustibles fsiles o por energa nuclear son impulsados directamente por turbinas de vapor; los generadores de emergencia son impulsados por turbinas de combustin.

En cualquier caso es preferible que el generador sncrono de alta velocidad sea compatible con la turbina.

La mquina de dos polos es la configuracin ms comn, aunque tambin se utilizan mquinas de cuatro polos.

DEVANADO DEL ROTOR Y CAMPOS DEL ENTREHIERRO

Mquina Sncrona de 2 PolosMquina Sncrona de 4 PolosTensiones Generadas y Circuito EquivalenteDEVANADOS ACOPLADOS

Trata a los devanados de las mquinas como devanados mutuamente acoplados y se basa en gran medida en la teora de circuitos.

CAMPOS GIRATORIOS

Desarrolla un circuito equivalente mientras que mantiene explcitamente la identidad de las cantidades del campo magntico del entrehierro.

NOTA: La teora de circuitos comprende los fundamentos para el anlisis de circuitos elctricos y permite determinar los niveles de tensin y corriente en cada punto del circuito en respuesta a una determinada excitacin.

Flujos y Voltajes de los Devanados

El flujo mutuo del campo del rotor que aparece a lo largo del eje del devanado de la fase a se determina por integracin a lo largo del claro mecnico de un polo magntico.D = dimetro interior del estator

e = profundidad del apilamiento de laminaciones del estatorEl voltaje depende del flujo en la mquina, de la frecuencia o velocidad de rotacin y de la construccin de la mquina. Para resolver problemas de mquinas sncronas, a menudo esta ecuacin se escribe de una forma ms simple que enfatiza las cantidades que varan durante la operacin de la mquina. La densidad de flujo del entrehierro del rotor es vista a lo largo del eje del devanado de la fase a como una onda viajera.El voltaje generado en EA es directamente proporcional al flujo y a la velocidad, pero el flujo en s depende de la corriente que fluye por el circuito de campo del rotor.

En la grfica se muestra la manera en que se relacionan el circuito de campo IF y el flujo. Debido a que EA es directamente proporcional al flujo, el voltaje interno generado EA est relacionado con la corriente de campo, como se observa en la figura 5b. Esta grfica se llama curva de magnetizacin o caracterstica de circuito abierto de la mquina.

Grfica del flujo contra la corriente de campo en un generador sncrono. b) Curva de magnetizacin de un generador sncrono.

EA = Magnitud de voltaje inducido en cierta fase del estator

Para encontrar la tensin inducida en el devanado se utilizan las leyes de Faraday y de Lenz, las cuales se describen a continuacin:

LEY DE FARADAYCualquier cambio del entorno magntico en que se encuentra una bobina de cable, originar un voltaje. No importa como se produzca el cambio, el voltaje ser generado en la bobina. El cambio se puede producir por un cambio en la intensidad del campo magntico, el movimiento de un imn entrando y saliendo del interior de la bobina, moviendo la bobina hacia dentro o hacia fuera de un campo magntico, girando la bobina dentro de un campo magntico, etc.

LEY DE LENZ"El sentido de la corriente inducida sera tal que su flujo se opone a la causa que la produce".La Ley de Lenz plantea que las tensiones inducidas sern de un sentido tal que se opongan a la variacin del flujo magntico que las produjo; no obstante esta ley es una consecuencia del principio de conservacin de la energa.

Desempeo del GeneradorGenerador es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial elctrico entre dos de sus puntos llamados polos, terminales o bornes, transformando la energa mecnica en elctrica. El generador sncrono est compuesto principalmente de una parte mvil o rotor y de una parte fija o estator, el principio de funcionamiento de un generador sncrono se basa en la ley de Faraday. Para crear tensin inducida en el estator, debemos crear un campo magntico en el rotor o circuito de campo, esto lo lograremos alimentado el rotor con una batera, este campo magntico inducir una tensin en el devanado de armadura por lo que tendremos una corriente alterna fluyendo a travs de l.

Generador sincrnico didctico trifsicoGenerador AisladoGenerador

InterconectadoCuando el generador sncrono opera de forma aislada suministra una carga limitada y puede tener variaciones de voltaje en las terminales dependiendo de la carga conectada, lo que no sucede cuando se conecta a un bus infinito.

Si un generador aislado fuera operado con una corriente de campo fija mientras que la carga elctrica vara, la grfica resultante de la tensin en las terminales contra la corriente de carga es conocida como caracterstica en las terminales.

Un generador nico slo puede alternar los valores de tensin por una pequea cantidad en un rea local.

La red de suministro de energa elctrica es una red de cargas distribuidas y generadores sncronos.

Un alternador que opera dentro de una red de suministro de energa elctrica comnmente representa 5% o menos de la capacidad generadora total del sistema.

Un generador sncrono interconectado debe operar bajo las restricciones de una tensin y una frecuencia casi constantes, resultando en una naturaleza diferente de desempeo que en el caso de la operacin aislada.

Regulacin de TensinDiagrama FasorialSincronizacinTambin llamado cambio porcentual en la magnitud de la tensin en las terminales desde la plena carga hasta la condicin en vaco con una excitacin constante de campo correspondiente al producido en las condiciones nominales en plena carga. Es una evaluacin cuantitativa de las caractersticas terminales.

Herramienta til de anlisis para predecir el desempeo cualitativo de un generador sncrono tanto aislado como interconectado.

Igualacin de la tensin en magnitud, frecuencia y secuencia de fase con la tensin de la red interconectadora que se debe hacer antes de poner un alternador en servicio de la red de distribucin elctrica.

Motor SncronoEste motor tiene la caracterstica de que su velocidad de giro es directamente proporcional a la frecuencia de la red de corriente alterna que lo alimenta.El motor sncrono, utiliza el mismo concepto de un campo magntico giratorio producido por el estator, pero ahora el rotor consta de electroimanes o de imanes permanentes (PM) que giran sincrnicamente con el campo del estator.

Desempeo del Motor Sncrono

La mquina sncrona de rotor redondo tiene la capacidad de tener flujo bilateral de potencia; as, puede operar en modo motor modelado por el circuito equivalente.

Funcionamiento del Motor

La mquina sncrona de rotor redondo tiene la capacidad de tener flujo bilateral de potencia; as, puede operar en modo motor modelado por el circuito equivalente.

El motor sncrono es utilizado en aquellos casos en que los que se desea velocidad constante.

El motor sncrono, utiliza el mismo concepto de un campo magntico giratorio producido por el estator, pero ahora el rotor consta de electroimanes o de imanes permanentes (PM) que giran sincrnicamente con el campo del estator.

Desempeo de la mquina de Polos SalientesLa operacin de un generador sncrono o alternador se basa en la ley de Faraday de induccin electromagntica y un generador sncrono trabaja de manera muy semejante a un generador de corriente continua, en el que la generacin de fuerza electromotriz se logra por medio del movimiento relativo de entre conductores y un flujo magntico.

Al colocar una espira dentro de un campo magntico y hacerlo girar, sus lados cortaran las lneas de fuerzas de campo, inducindose entonces una fuerza electromotriz (FEM) que se puede verificar entre los extremos del conductor de forma de espira. Se comprueba que la FEM es alterna. Las dos partes bsicas de una mquina sncrona son la estructura del campo magntico, que lleva un devanado excitado por corriente continua y la armadura. La armadura tiene con frecuencia un devanado trifsico en el que se genera la FEM de corriente alterna.

Casi todas las mquinas sncronas modernas tienen armaduras estacionarias y estructuras de campo giratorias. El devanado de corriente continua sobre la estructura giratoria del campo se conecta a una fuente externa por medio de anillos deslizantes y escobillas. Algunas estructuras de campo no tienen escobillas, sino que tienen excitacin sin escobillas por medio de diodos giratorios. En algunos aspectos, el estator que lleva los devanados de armadura es semejante al estator de un motor de induccin polifsico

Motores Auto - sncronos

Un motor auto sncrono es en realidad un sistema integrado que consiste de una mquina sncrona, un sensor de posicin del eje, un controlador lgico de conmutacin y un acondicionador de potencia.

El acondicionador de potencia es un arreglo de interruptores de nivel de potencia para dirigir el flujo de corriente a travs de los devanados de la mquina sncrona con el fin de controlar la posicin angular del campo del estator basado en la posicin del rotor.

La mquina sncrona puede tener un rotor de campo activo o puede ser una mquina de principio de reclutancia.

Motores de CD sin EscobillasEl motor de cd sin escobillas (MCDS) es un motor autosncrono con caractersticas de desempeo similares a las del motor de cd excitado separadamente con conmutador, de ah su nombre. Especficamente, el control de velocidad se implementa aumentando o disminuyendo la tensin impuesta en la armadura. La mquina sncrona puede tener un campo devanado o bien ser excitada por un imn permanente (IP). Entre las mquinas de imn permanente hay dos tipos bsicos: de imanes de entrehierro y de imanes interiores. Las primeras producen una tensin generada con forma trapezoidal, mientras que las otras generan una tensin con forma senoidal.

Diseo de las Mquinas Sncronas

El objeto elegido para el estudio del diseo es el gran generador sncrono de alta velocidad conocido como TURBOALTERNADOR para la aplicacin en plantas generadoras de energa elctrica. El primo motor de estas maquinas es una turbina de vapor o turbina de combustin de gas. El Rotor redondo cilndrico es de diseo de dos o cuatro polos. El alcance de la presentacin se limitaciones de desempeos elctricos y magntico. Motores de Reluctancia ConmutadaEl motor de reluctancia conmutada (MRC) es una mquina de reluctancia saliente doble con un conjunto de concentrados de excitacin devanados sobre los polos de un elemento, comnmente el estator.

Estndares y CalificacionesLos TURBOALTERNADORES son comprados tpicamente a travs de un arreglo contractual entre el fabricante y la compaa de generacin de potencia.

Se pueden clasificar de acuerdo a las necesidades y cumplimientos normativos ( ANSI C50.10, ANSI C50.13, ANSI C50.14 y ANSI C50.30, que sirven para establecer el desempeo esperado de los turboalternadores):

ClasificacinLa clasificacin de salida de un turboalternador se especifica en potencia aparente, tensin y factor de potencia.

EnfriamientoServicio AnormalSe clasifican como directa o indirectamente enfriados de acuerdo con el mecanismo de transferencia del calor: aire, gas o agua.

Algunos lineamientos son suministrados con respecto a la operacin sobre corriente (limites de tiempo para campo o armadura), sobre tencin, frecuencia nominal y variacin de la temperatura en el ambiente y en las presiones del refrigerante.

Diseo del EstatorEl Estator del Turboalternador es idntico en funcin y concepto al del motor de induccin, el siguiente diagrama de flujo es aplicable al proceso de diseo. Si el Logro de un diseo aceptable es posible de otra manera, las dimensiones de dimetro interior y longitud se deciden nicamente por el procedimiento anterior y se mantienen fuera del proceso de diseo del estator.

El estator, parte fija de la mquina donde van alojados las bobinas inductoras, las tapas laterales o tambin llamadas escudos que llevan dos cojinetes que permite el giro del rotor.

Caractersticas del EstatorRANURAS DEL ESTATOR

RESISTENCIA DEL ESTATOR

CONDUCTIVIDAD DEL ESTATOR

DIMENSIONAMIENTO DEL CONDUCTOR

DIAMETRO DEL NUCLEO

Nmero de ranuras del EstatorLa prctica estndar para un devanado de doble capa resulta inherentemente en que el numero de conductores por ranura sea un entero par. El alcance del estudio es limitado al caso de que las ranuras por polo sean un mltiple entero de 3.

A Mayor numero de ranuras, hay un mayor nmero de bobinas por devanar, aislar e instalar, lo cual conduce a mayores costos.

En general, se debe tratar de usar tantas ranuras como econmicamente sea justificable. Sin embargo, el nmero de ranuras polo por polo y por fase.

Resistencia del EstatorEl aislamiento a tierra de los devanados para turbogeneradores tpicamente encapsula los lados individuales de los devanados. Se sugieren los siguientes grosores de material.

Utilizar aislamiento a tierra 65 V/mil.Utilice una cua de ranura de 0.37 in.Utilice separador de devanados y palillo superior de 0.125 in.

Conductividad por RanuraLa distribucin de los conductores del estator, viene determinada por el factor de embobinado que influye en la magnitud final que adopte el campo magntico. El Factor de embobinado esta formado por dos componentes , el factor de paso y el de distribucin.

Dimensionamiento del ConductorPara maquinas enfriadas indirectamente, el conductor del estator es cobre slido como se ilustra para los devanados de turboalternador. Si la maquina se enfra directamente, el conducto hueco para el agua debe ser aproximadamente del 25% del rea seccional del conductor.

Enfriado por aire , enfriado por hidrogeno o por agua.

Debido al gran tamao de los conductores del turboalternador, los tamaos estndar de alambre no sirven. Los conductores sern generalmente de un tamao especial de cobre estirado. Para minimizar las magnitudes de las corrientes parasitas resultantes a travs de la ranura, el conductor deber formarse de hilos mltiples.

Dimetro del NcleoEl dimetro exterior de las laminaciones del estator debe elegirse lo suficientemente grande para que el requerimiento de la fmm del devanado de campo no cree una carga innecesaria sobre el diseo del rotor para mover el flujo sobre un largo trayecto del yugo.

Diseo del RotorAl aumentar los turbo aceleradores en nivel de potencia, el rotor se convierte en un reto de diseo mecnico. Para una velocidad mecnica fsica, la potencia nominal de la maquina depende de la Dimensin. Al aumentar la longitud de la maquina, el rotor es propenso a exhibir frecuencias criticas a velocidades menores que pueden resultar en flexin del eje hasta el punto en que el rotor golpea el dimetro interior del estator.

El rotor se fabrica como una aleacin de acero forjado con alta resistencia de cedencia.

Conductores por RanuraCada devanado de campo y, por tanto, cada ranura del rotor, supuestamente contiene conductores, cada uno portando una corriente. Si la excitacin parcial de los devanados del campo puede lograrse, se aplica ara cada caso de exitacion parcial, se aplica para cada caso .

La fmm del campo debe ser suficientemente grande para vencer la fmm de la armadura y para suministrar fmm adicional para mover el flujo del etrehierro alrededor del circuito magntico de la maquina.

Gracias