Cap V - Máquinas síncronas

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TECNOLOGÍA ELÉCTRICA 2
Máquinas síncronas
Generadores - Alternadores
Ingeniería Industrial y de Sistemas
Facultad de Ingeniería
Prof: Ing. Paul Villar Yacila
1
Introducción – Máquinas síncronas
Máquinas eléctricas cuya velocidad de rotación (r.p.m.) está vinculada directamente con la frecuencia de la red eléctrica con la cual trabaja, de acuerdo con la expresión:
donde es el número de pares de polos de la máquina.
Las máquinas síncronas, como cualquier otro convertidor electromecánico de la energía, pueden funcionar tanto en régimen generador como en régimen motor.
Aspectos constructivos
Como máquina eléctrica que es, está constituidas por dos devanados independientes:
Un devanado inductor, construido en forma de arrollamiento concentrado o bien distribuido en ranuras, alimentado por corriente continua, que da lugar a los polos en la máquina.
Un devanado inducido distribuido formando un arrollamiento trifásico recorrido por corriente alterna.
Máquina síncrona de baja potencia con el inducido en el rotor
Polos lisos y polos salientes
En las máquinas pequeñas (menores de 10 kVA), el devanado inductor se coloca normalmente en el estator en forma concentrada, sobre expansiones magnéticas denominadas polos salientes. El inducido está en el rotor, formando generalmente tres fases, las cuales tienen salida al exterior por medio de tres anillos (ver figura anterior).
En las máquinas grandes (1,000 - 1,500 MVA) la colocación de los devanados es inversa a la anterior, de tal forma que los polos quedan situados en el rotor y el devanado trifásico en el estátor. En esta situación, la estructura del rotor se fabrica en dos versiones: polos salientes (figura a)) y polos lisos o rotor cilíndrico (figura b)); en el primer caso los devanados de los polos son concentrados, mientras que para el rotor cilíndrico el devanado que se coloca en los polos está distribuido en ranuras, cubriendo una parte de la circunferencia del rotor. La alimentación del devanado inductor se realiza por medio de dos anillos colocados en la parte móvil de la máquina por los que introduce una corriente continua exterior.
El inducido giratorio requiere tres anillos para recoger la tensión generada y enviarla al circuito exterior; estos anillos deben estar más o menos descubiertos y son difíciles de aislar, especialmente para las tensiones elevadas de 6.600 a 30.000 V a las que funcionan normalmente las máquinas síncronas. 
Sistema de excitación
Los devanados que forman los polos de una máquina síncrona se alimentan con cc, la cual procede, en los sistemas tradicionales, de una dínamo excitatriz del tipo shunt que está montada en el eje del grupo y cuya salida se aplica al rotor del alternador por medio de unos anillos deslizantes con sus correspondientes escobillas.
La excitatriz es un generador de cc convencional, en el que a veces se sustituye toda o parte de su excitación por una excitatriz piloto con objeto de mejorar la rapidez de respuesta.
En la siguiente figura se da una versión de este sistema, donde pueden apreciarse cada uno de los elementos (la línea de puntos indica que las tres máquinas están situadas en el mismo eje mecánico). Las máquinas síncronas más pequeñas no suelen tener excitatriz piloto y la excitatriz principal trabaja en forma de derivación (shunt), alimentando directamente al inductor o campo del alternador. 
Sistema de excitación
En lugar de dínamos que giran a grandes velocidades, se han desarrollado excitatrices de ca que, con ayuda de rectificadores de silicio, alimentan con cc los polos del alternador. El campo de estas excitatrices proviene generalmente de otra excitatriz de ca con imán permanente cuya salida se ha rectificado previamente, como se indica en la figura. Generalmente las excitatrices piloto producen una ca de una frecuencia cercana a los 400 Hz, mientras que la excitatriz principal es de 50 Hz.
Sistema de excitación
Principio de funcionamiento
Funcionamiento al vacío:
Consideremos el esquema simplificado de la máquina síncrona de polos salientes mostrado en la figura. Al girar el rotor a la velocidad n, se inducen fem’s en los arrollamientos de las tres fases del estator, que van desfasadas en el tiempo 120º, que corresponden a la separación espacial (en grados eléctricos) existente entre las bobinas del estator.
Máquina síncrona trifásica
Principio de funcionamiento – En vacío
Para obtener una fem sinusoidal en el estator es necesaria una distribución sinusoidal de la inducción a lo largo de la periferia del rotor.
Si el entrehierro es de espesor constante, dicha distribución debe considerarse más bien de forma trapezoidal (figura a)), es decir, constante debajo de cada polo y rápidamente decreciente. Aumentando el entrehierro desde el centro del polo hacia los extremos, la forma de B se acerca más a la sinusoidal.
En general, no se llegará a la senoide perfecta, por lo tanto, la fem resultante contendrá armónicos. 
Principio de funcionamiento
Funcionamiento en carga: Reacción del inducido
La reducción en la tensión de salida del generador es debida a la aparición de una corriente en el inducido a la par produce una fmm que reacciona con la del inductor modificando el flujo del entrehierro de la máquina. La caída de tensión en el circuito del inducido se debe a la impedancia de los arrollamientos de este devanado. Se deben considerar también las reactancias del inducido, que se debe al flujo de dispersión del estator que no interacciona con el flujo del rotor. 
Circuito equivalente
Máquina síncrona funcionando en régimen generador con una tensión por fase V, que produce una corriente inductiva en el inducido con un desfase de grados. Para determinar la fem resultante habrá que añadir a la tensión terminal las caídas de tensión producidas en la resistencia y reactancia de dispersión, tal como se muestra en el circuito de la figura a), cuya composición fasorial se muestra en la figura b), donde se ha tomado la tensión terminal como referencia en el eje real.
Ensayos
Cortocircuito:
de donde resulta el valor modular de la impedancia síncrona:
es decir, la impedancia síncrona es el cociente entre la tensión y la corriente de cortocircuito. Debe tenerse en cuenta además un aspecto adicional: que tanto como dependen de la corriente de excitación de la máquina y por consiguiente también de su cociente.
Potencia activa y reactiva
Máquina síncrona de rotor cilíndrico no saturada en la que se puede despreciar la resistencia del inducido frente a la reactancia síncrona cuya magnitud se supone constante. Si la máquina suministra una corriente con un desfase inductivo a una red de potencia infinita de V voltios, se cumplirá:
La potencia compleja desarrollada por la máquina será:
Las expresiones fasoriales de y V son:
Para una potencia compleja:
Los valores de potencia activa y reactiva suministrada por la máquina:
Potencia activa y reactiva - continuación
Ɛx100%
Regulación de tensión
Acoplamiento a una red
Cuando se conecta un alternador a una red de potencia infinita, pasa a formar parte de un sistema que comprende centenares de otros alternadores que alimentan entre todos a millones de cargas. A diferencia de un generador trabajando en una red aislada, en el que la carga está bien especificada, ahora es imposible saber la naturaleza de la carga (grande o pequeña, resistiva o inductiva) conectada a los bornes de un alternador específico. Lo que determina la potencia suministrada por la máquina: a) el sistema de regulación de tensión del alternador que controla la corriente de excitación y que en el caso del generador aislado se utilizaba para regular la tensión de salida, y b) el sistema de regulación de velocidad del motor primario que se utilizaba en el generador aislado para controlar la frecuencia.
Que la red donde se conecte el generador sea de potencia infinita indica que la frecuencia y la tensión son constantes y están impuestas a la red. Es evidente por ello que el comportamiento de un generador en una red aisladava a diferir bastante de su funcionamiento en una red de potencia infinita.
Funcionamiento en paralelo de generadores
Varios alternadores o generadores pueden alimentar una carga más grande que una sola máquina. Varios generadores trabajando en paralelo aumenta la confiabilidad del sistema de potencia, debido a que la falla de cualquiera de ellos no causa la pérdida total de potencia en la carga. 
Condiciones requeridas:
Voltajes iguales: si los voltajes de los generadores no son exactamente iguales, habrá un flujo de corriente muy grande cuando se cierre el interruptor. Para evitar este problema, cada una de las tres fases debe tener exactamente la misma magnitud de voltaje y ángulo de fase que el conductor al que se conectara.
Frecuencias iguales: las frecuencias de los 2 o más generadores deben ser las mismas ya que se ocasionarían graves problemas
Secuencias de fase: los dos generadores deben tener la misma secuencia de fase. Un sencillo método permite comprobar la sucesión de fases.
Un alternador trifásico conectado en estrella de 165 kVA, 950 V tiene una resistencia del inducido del 0.3 𝛺. Una corriente de excitación de 15 A produce una corriente en el inducido de 200 A en cortocircuito y una fem de línea de 780 V en circuito abierto. Calcular: 
impedancia y reactancia síncrona
regulación a plena carga con fp 0.8 inductivo. 
Ángulo de carga y triángulo de potencias.
Ejercicio
FIN