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LA MÁQUINA SÍNCRONA Montaje de conductores en el estator (la mitad) de una máquina sincrónica Rotor de polos salientes de una máquina sincrónica de 13,8 [kV], 152,5 [MVA] Rotor de una máquina sincrónica grande De rotor cilíndrico Polo saliente de una máquina síncrona con barras de la jaula Generador- Barras de amortiguamiento Motor- Barras de amortiguamiento o arranque FEM inducida en una fase (Polos Salientes) ( ) 1 1 max max 1max F B B ff μdgpr ο fff k kk k g μ F max p N ff f i 1max B f ff μdgpr ο f k i kk p N g μ prc prc prc c g pr gb gb gt t gggg k ) ( γ γ- )(31 5 2 max Flujo medio del armónico fundamental del campo de excitación: 1 max 1 π 2 B π 2 B τ ττ 11 f ff μdgpr ο fmfmffm k i kk p N g lμ ll Inductor g g mx tcbc Flujo concatenado máximo con una fase de la armadura ( cuando el eje de la fase coincide con el eje polar o eje directo “d” ), omitiendo fmdevfasefa k N Si el rotor gira a una velocidad angular eléctrica de surge el flujo concatenado, variable en el tiempo, con la fase A de la armadura: tt fafa ω cos )( i ωωω r mec p/2 Por lo tanto, se tendrá una inductancia mutua, cuando coinciden el eje “a” y “d” tMtM ffafaffafa ii ω cos )( Según dtd - e , la fem inducida en la armadura (inducido) es: f s ef s if faf ffaffaf Nf X X M iii 44,4 2 2 E E ; ω E max fmax ) 2 cos()( )( tiMtseniM dt td e ffaffa fa ) 2 cos( wtiMe ffaa fafa MX ω Es la reactancia de inducción mutua entre el devanado de excitación y el devanado de armadura. La fem instantánea será: )π/2 ω( cosE maxe tfa )ω( senE maxe tfa (*) La fem de autoinducción del devanado de excitación es: 0 - e ffff i dt d L En estado estacionario, cuando es constante. fi f E=E f Donde: fcabfpfgffgf LLLLLL Inductancia propia del devanado de excitación fgL fpL fcabL Inductancia debido al flujo que atraviesa el entrehierro g. Inductancia debido al flujo de dispersión en el polo (Φfp). Inductancia debido al flujo de dispersión en las cabezas de bobina (Φfcab). g fp fcab fg Representación Fasorial de Funciones Sinusoidales (, V, I, E, etc.) Transformando (*) considerando: jsencose j Identidad de Euler. 2 maxmax 2 j maz tjtj j maz eEEeEeeEe 2 j EeE ) 2 () 2 ( ) 2 ( tjsentcose tj )] 2 () 2 ([max ) 2 ( max tjsentcosEeE tj tjtj j maz eEeeE max 2 Si se tiene una función compleja: jbaA 22 baA AAeA a b arctg j)( , fasor. jejej A a A a cos jj 22 ;;1;)arccos( Diagrama Fasorial en Vacío E V f q d EqV Generador Síncrono bajo carga Simétrica: La corriente de armadura 0 I , por lo tanto genera su propio campo y se le denomina campo de reacción de armadura (R.A.) El efecto de R.A. sobre el campo de excitación no se puede despreciar: 1. Porque la mayor parte de la R.A. esta dirigida por el eje directo (“d”), que puede aumentar (magnetizar) o disminuir (desmagnetizar) el flujo de excitación. 2. Además porque la R.A. por el eje transversal “q” (en cuadratura), induce una considerable fem en el devanado de armadura. Para una máquina de polos salientes, debido a su configuración asimétrica del inductor, el efecto de R.A., es necesario estudiarlo en dos componentes. Limitándonos al armónico fundamental de la onda del campo de R.A., se tendrá, según la lógica y secuencia de los principios de electromagnetismo: Una por el eje directo “d” Una por el eje transversal “q” adadadadad E B FId aqaqaqaqaq E B FIq El estudio se fundamenta en la teoría de las 2 reacciones, método propuesto por el francés A. Blondel (1895). Este método esta basado en el principio de superposición para lo cual se considera que el flujo magnético de R.A. dirigido por el eje “d” no afecta al flujo magnético de R.A. dirigido por el eje “q” y viceversa, asimismo se desprecia la saturación del circuito magnético( ).feμ En el régimen de carga, la ecuación general de la tensión en bornes del generador es: ar aaf eeeev ar aq adaq adf eeeeeev REACCIÓN DE ARMADURA EN UN GENERADOR SÍNCRONO BAJO CARGA SIMÉTRICA. Se analiza un generador síncrono de polos salientes (p=2), cuya velocidad angular mecánica es r mw (rad/seg) o velocidad angular eléctrica de r mwpfw 22 El ángulo entre la corriente de armadura I y la Fem. Ef inducido por el campo de excitación, esta en función del tipo de carga eléctrica que se conecta a los bornes del generador. El rango de variación es: 22 • , bajo carga pura resistiva R.0 f f a a R d q m r E FI a f F f g d q m r g B y A x z C Te N N S S ..... ARdemmfFF aqa Transversal o dirigida por el eje q. Su efecto es Deformante. Por lo tanto surge Te<0 – cuyo efecto sobre el rotor es frenante a frecuencia f disminuye V 2 • , bajo carga pura inductiva L. d N S a f m r E F I a f F f Fg ..... ARdemmfFF ada Directa o dirigida por el eje d. Su efecto es desmagnetizante. Por lo tanto el flujo resultante en el entrehierro )( afg la tensión en bornes del generador disminuye . V • , bajo carga pura capacitiva C. 2 d NS a f F I a E f F f m r Fg ..... ARdemmfFF ada Directa o dirigida por el eje d. Su efecto es es magnetizante. Por lo tanto el flujo resultante en el entrehierro )( afg la tensión en bornes del generador aumenta . V Análisis de la fuerza magnetomotriz de reacción de armadura (Fa) La onda resultante fundamental originado por un devanado trifásico de la armadura, cuando aparece el sistema trifásico de corrientes: tIai ω cos 2 ) 32π ω ( cos 2 tIbi ) 34π ω ( cos 2 tIci ) 34π ω ( cos 2 tIci Resulta, para cualquier armónico como: )ωt /2 ν ( cosF 2 m ),(F maxsν s ν ss pt Donde : ν max s ν 2 ν 1 π 4 F I p Nef Es la FMM sinusoidal por fase para cualquier armónico. Por lo tanto la FMMmax o el campo giratorios será: 0,1,2,... k ; 16k ν )ωt /2 ν ( cosF 2 m ),(F max s ν s ν ss pt 0,1,2,... k ; 16k ν )ωt /2 ν ( cosB 2 m ),(B max s ν s ν ss pt y Analizando para m = 3 y 1 ν (armónico fundamental) I p Nef a 2 π 4 2 3 F F 1 Ip Nef a π 26 F Sus componentes serán: sen π 26 sen F I p N F ef aad sen π 26 III p N F dd ef ad adF : FMM dirigido por el eje “d” cos π 26 cos F I p N F ef aaq cos π 26 III p N F qq ef aq aqF : FMM dirigido por el eje “q” Curvas de distribución o forma del campo de R.A. en una máquina síncrona de polos salientes. 0 bp d Fad BadmaxBadmax1 0 q Fad Baqmax Baqmax1 g gmax Si g fuera constante, se tendrían las distribuciones Bad y Baq. Como g es variable, las curvas reales serán . 'Bad y 'Baq Los factores de forma del campo de reacción de armadura serán (por el eje “d” y “q”): max 1max B B k ad ad ad max 1max B B k aq aq aq y Donde: 1maxBad y 1maxBaq son los armónicos fundamentales máximos. si g = gmin = constante adF y aqF originan ondas espaciales sinusoidales de campo magnético. ad g ad g F k k μ B μd ο max aq g aq g F k k μ B μq ο max y y y De las curvas se apreciaque debido a g = var, el máximo del campo fundamental de R.A. y1maxBad 1maxBaq se ven disminuidos y debido a esto se cumple que los factores de forma del campo de R.A. son: 1 k k adaq Y están en función de las dimensiones geométricas. τ , , α k ,k max g g g faqad Para la máquina de rotor cilíndrico (g = constante) se cumple: 1 k k aqad El flujo medio fundamental de R.A. por ambos ejes: ll adadadad k B π 2 B π 2 ττ max1max ll aqaqaqaq k B π 2 B π 2 ττ max1max Conociendo maxBad maxBaq, adF adF, aqFy se tiene: aqq ef g aq I p N l g k π 212 k k μ τ μq ο Estos flujos se concatenan con cada fase del devanado de armadura por ambos ejes: adefad N aqefaq N y son variables en el tiempo: Considerando que estos flujos giran sincronizados con el rotor, entonces, surgen FEM de autoinducción en la armadura. Aplicando la ley de inducción electromagnética dtd - e , obtenemos: adefad Nf 4.44 E aqefaq Nf 4.44 Ey Y se denominan FEM de R.A. directa y transversal respectivamente. add ef g ad I p N l g k π 212 k k μ 2 μd ο τ aqq ef g aq I p N l g k π 212 k k μ 2 μq ο τ Diagrama Fasorial Despreciando el Flujo de Dispersión de R.A. y la resistencia Ohmica del Devanado de Armadura ( ).0,0 aa r 2 0 araaqadf EEEEEV Para una carga R-L, resistiva inductiva El flujo resultante en el entrehierro: aqadfg Por lo tanto la Fem. inducida por estos flujos será: aqadfg EEEVE Iq d E ad E a E aq E ad E a aq g ad a ad E aq f E f E g I aq Id araaqadf EEEEEV aqadfg aqadfg EEEVE Reactancias e Inductancias de R.A. qaqaqdadad IXEIXE ; q aq aq d ad ad I E X I E X ; ad ef dg ad K p N gKK l fX 2 024 Conociendo las ecuaciones que relacionan la Fem. con las reactancias por ambos ejes: Obtenemos las reactancias: Reemplazando el valor de Ead y Eaq (**) y su flujo medio correspondiente ad y aq (*), se obtiene la expresión de las reactancias por ambos ejes en funcion de las dimensiones fundamentales de la maquina. aq ef qg aq K p N gKK l fX 2 024 (***) De las ecuaciones: aq aq ad ad X L X L f 2Y tomando ; obtenemos las inductancias propias de R.A. por los ejes “d” y “q”. adefad ef dg ad NK p N gKK l fL 2 2 0 2 12 aqefaq ef qg aq NK p N gKK l fL 2 2 0 2 12 Donde: p K gKK l ad dg ad 0 2 12 p K gKK l aq qg aq 0 2 12 Son las conductancias magnéticas o permeancias de R.A. por los ejes “d” y “q”. Conclusiones: Las expresiones aqad XyX (***) determinan las magnitudes en ohms de las Reactancias, cuyos valores son determinantes en la operación estable de la Máquina síncrona en un determinado sistema eléctrico de potencia. De la ecuación, se puede observar que: • Cuanto mas intenso es la R.A. mayor será Xad y Xaq (Kad y Kaq ) y menor será la estabilidad permanente de la máquina. • Cuanto mayor es la saturación menor será Xad y Xaq. • La disminución de la reactancia Xad y Xaq aumentando el entrehierro g conduce a la elevación del costo de la máquina. Campo de dispersión de R.A. y Fem. inducidas. cossen aaqaad ; dtde aqq add oconcatenadflujoelgeneraI oconcatenadflujoelgeneraI Este flujo de dispersión también se descompone por los ejes “d” y ”q”; siendo Los flujos concatenados: Que también son variables en el tiempo y están girando sincronizadamente con el rotor. Por lo tanto según la ley de inducción electromagnética también inducen FEMs. Por lo tanto: aqefaq adefad aqaq adad NfE NfE tcosEe tcosEe 2 2 44,4 44,4 ) 2 (2 ) 2 (2 Del diagrama se tiene: qaaaaq daaaad IXIcosXcosEE IXIsenXsenEE . . aqaq adad EconfaseenEstáE EconfaseenEstáE qaqaqaqaqq dadadadadd IXIXEEE IXIXEEE Comparado con el D.F. de FEMs inducidas por el campo de R.A. magnetizante, se establece que: aaqqaadd XXXXXX ; FEMs síncronas o de inducción propia: Reactancias síncronas por los ejes “d” y “q”. Eaq E ad E a a ad aq I d Iq I d q TURBOGENERADO R MOTORES Y GENERADORES Xad=1,1÷2,5 Xad=0,5÷1,5 Xaq=0,3÷0,9 aqadaqad adaq XX KK , 1 Xaσ<<Xaq< Xad Para la máquina síncrona de rotor cilíndrico se cumple g=constante, por lo tanto: TURBOGENERADOR GENERADOR DE POLOS SALIENTES Xd=1,2÷2,75 Xd=0,6÷0,8 Xaσ=0,08÷0,25 Xq=0,4÷1,2 Ra=0,002÷0,008 Xaσ=0,1÷0,3 Ra=0,002÷0,008 DIAGRAMA DE TENSIONES DEL GENERADOR SINCRONO CON CARGA SIMÉTRICA El equilibrio de las fuerzas electromotrices presentes en la operación del generador síncrono no es otra cosa que el reflejo del equilibrio magnético que se produce en el núcleo o circuito magnético. Luego, la tensión en bornes de la máquina será el resultado de la superposición de las siguientes tensiones. La fuerza electromotriz inducida por el campo producido por los polos del rotor: Ef. La caída de tensión producida en los circuitos eléctricos del estator, por la corriente de armadura para facilitar el análisis de los procesos electromagnéticos del generador síncrono con carga simétrica. Se utilizarán los siguientes supuestos: Permeabilidad del hierro: muy grande Despreciar los armónicos superiores Cada fuerza magnetromotriz se analiza como si existiera separadamente y creará su propio flujo magnético, el que a su vez produce su propia fuerza electromotriz. El método a aplicar: SUPERPOSICIÓN Diagrama fasoriales de fem del generador de polos salientes. raaqadf EEEEEV (3) aqadfg aqadfg EEEE adF aqF : Componentes de la f.m.m. de la reacción de armadura a lo largo de los ejes directo y cuadratura. ad aq : Componentes de flujo magnetizante de armadura a lo largo de los ejes d y q. adE aqE : fem magnetizante de armadura en ejes directo y cuadratura. Donde: , , , Diagrama Fasoriales de fem del Generador de Polos Salientes raaqadf EEEEEV aqadfg aqadfg EEEE (3) adF aqF : Componentes de la f.m.m. de la reacción de armadura a lo largo de los ejes directo y cuadratura. , ad aq, : Componentes de flujo magnetizante de armadura a lo largo de los ejes d y q. adE aqE : fem magnetizante de armadura en ejes directo y cuadratura. , Carga inductiva )2/0( rE aE V g gE adE aqE fE 0 q d I adF ad gF g aqF aq fF f Figura 8. Carga capacitiva )2/0( gE adE aqE fE aE rE V g I gF g aqF aq fF fadF ad 0 d q Figura 9. En este caso los diagramas vectoriales se construyen tomando como referencia la tensión en bornes y utilizando la ecuación de Pothier. V ECUACIÓN FASORIAL Y DIAGRAMA DE TENSIONES O DE POTHIER (4) considerando despreciable la resistencia ohmica del devanado de armadura )0( ar , y descomponiendo la corriente de armadura . )( qd III Se obtiene la ecuación fasorial de Pothier para el generador síncrono de polos salientes: qqddf IjxIjxVE (5) Donde: aadd xxx aaqq xxx y son las reactancias síncronas por los ejes d y q respectivamente. Reemplazando la Ec. 3 por sus caídas de tensión: IrEIjxEIjxEIjxE araaqaqaqdadad ;;; -- EF de Pothier completodadqaqaaf IjxIjxIjxIrEV Se obtiene: -- EF de Pothier simplificado DF bajo carga inductiva (corriente en atrazo) )2/0( fE I dIqI A C dd IXj B j 1q 0 d q q I Xj V Figura 10. (5)qqddf IjxIjxVE Propiedad del diagrama Dado el régimen de operación del generador, caracterizado por la tensión (V), la corriente (I) y el ángulo de factorde potencia )( determinar la excitación del generador . y los parámetros se pide )( fE Solución: Del triángulo ABC Ix IxAB AC q qq coscos con la magnitud del segmento AC perpendicular a I queda determinado el vértice C por donde pasa el eje q, por lo tanto queda determinado el ángulo y las componentes de la corriente senII d cosII q, , así como la excitación )( fE y el ángulo Si en la escuación (5) sumamos y restamos dq Ijx dqdqqqddf IjxIjxIjxIjxVE Entonces se tendrá: Luego de simplificar se obtiene la ecuación fasorial: dqdqf IxxjIjxVE )( (6) - EF de Pothier simplificado y modificado donde IjxVE qQ y dqdQ IxxjE )( Se tiene el DF correspondiente bajo carga R-L figura 11) )2/0( De donde se obtienen relaciones fundamentales para el estudio del generador síncrono. fE I dIqI A C dd IXj B j 1 q 0 d IXj q D q qIXj V dqd IXXj dq IXj E qqd IXXj IXXj qd IXj d Figura 11. Práctico en la aplicación de estudios de operación de la máquina síncrona de polos salientes. dqdqf IxxjIjxVE )( QQf EEE Para una máquina síncrona de rotor cilíndrico el entrehierro g = constante. Por lo Que Por lo tanto del diagrama fasorial (fig. 11) se obtiene el diagrama fasorial para el generador de rotor cilíndrico. qd xx 0ar aadd xxx IjxVE df (7) Representado en la figura 11 por el triángulo OAC. Considerando y que corresponde a la ecuación fasorial: dadqaqaaf IjxIjxIjxIrEV Lo que también se puede de la EF (4) para el Generador síncrono de polos salientes: Lo que corresponde al DF bajo carga R-L (figura 12) )2/0( Figura 11. CARACTERÍSTICA ANGULAR DEL GENERADOR SINCRONO DE POLOS SALIENTES. Utilizando el diagrama fasorial de la figura 10 obtenemos: cosVIxE ddf d f d x VE I cos VsenIx qq q q x Vsen I Además : por lo tanto la potencia activa en los bornes del generador: cos3VIP 2 11 2 33 2 sen xx V sen x VE P dqd f (8) la potencia reactiva en los bornes del generador: VIsenQ 3 dqdqd f xx V xx V x VE Q 11 2 3 2cos 11 2 3 cos 3 22 (9) y quedan representados por la figura 12. º90 º90 crit. crit. º180º180 0 sP P 0 Q Figura 12 potencia máxima y el límite de operación estable surgen para el ángulo de carga crítico crit determinado por: 02cos 11 3cos 3 2 dqd f xx V x VEP (10)crit maxPP Las expresiones 8 y 9 expresadas en valores relativos (p.u.) quedan: 2 11 2 2 sen xx V sen x VE P dqd f (11) dqdqd f xx V xx V x VE Q 11 2 2cos 11 2 cos 22 (12) La potencia sincronizante que determina el área de operación estacionaria par un generador o motor síncrono, se deriva de la expresión 8: 2cos 11 3cos 3 2 dqd f s xx V x VEP P 0sPsi estableoperacióndepunto 0sPsi inestableoperacióndepunto (13) Ejemplo de aplicación Se tiene un generador de la Central de Mantaro I (120 MVA, 13,8 kV; 114 MW) 064,1dx 71,0qx 8,0NCos (ind); bajo carga nominal )1;1( IV mediante el uso del diagrama fasorial (figura 10), se obtiene que: 8371,1fE y 718,21N por lo tanto con (11) y (12) obtenemos: 8,0NP 6,0NQ y con (10) 12,76crit 7853,1max P y la capacidad de sobrecarga del generador será: 23,2max N sc P P K Criterios de especificaciones Característica de vacío: .;0);( constnnIifEV Nff M = R Vdc + - Ms Excitación S I Motor primo. f x VV V A Vacío V =(1,2-1,4)Vmax nominal M = R Vdc + - Ms Excitación S I Motor primo. f x A AAA Cortocircuito 3 I =(1,0-1,2)Imax nominal Característica de cortocircuito 3Φ: .;0);( constnnVifI Nf fE fE ccoI NI NV IV , fi ofi ccfi vacio c.c. a)Determinación de la reactancia síncrona por el eje directo Reactancia no saturada: I E x f d Reactancia no saturada: I E X f d b) Factor de saturación: f f d E E K c) Relación de corto circuito: N cco fcc fo I I i i Rcc Como d N cco X V I dX Rcc 1 La reactancia de R.A. por el eje directo en función de las dimensiones y el efecto de la R.A. ad ef dg ad k P N kkg fx 2 0 . 24 nos muestra claramente la importancia de aadd XXX y dx Rcc 1 en la operación de la máquina síncrona. Conclusiones 1. Cuanto más intensa es la R.A. entonces aumentará adx dx sck Rccy 2. La disminución de scd kx y Rcc esta ligado al aumento del entrehierro por lo tanto de su masa y su costo. Sin embargo, mejora su funcionamiento en paralelo (especialmente en líneas de transmisión largas). 3. Las máquinas con pequeña Rcc permiten mayor variación de tensión, cuando funcionan en paralelo; y son menos costosos. Parámetros en p.u. adX aqX aX ar dX qX ccR PARÁMETRO TURBO GENERADOR MOTOR Y GENERADOR DE POLOS SALIENTES CON DEVANADO AMORTIG SIN DEVANADO AMORTIGUADOR 1,1 2,5 0,5 1,5 0,5 1,5 1,1 2,5 0,3 0,9 0,3 0,9 0,08 0,25 0,1 0,3 0,1 0,3 0,002 0,08 0,002 0,02 0,002 0,02 1,2 2,75 0,6 1,8 0,6 1,8 1,2 2,75 0,4 1,2 0,4 1,2 0,4 1,0 0,8 1,8 0,8 1,8 Aplicación En la unidad de Generación Nº 3 de Moyopampa 30 MVA; 10,0 kV; F.P.= 0,7; 60 Hz; conexión estrella. se ha obtenido la característica de vacío y corto circuito. Determinar: a)La reactancia sincronía saturada y no saturada por el eje directo y el factor de saturación. b)La relación de cortocircuito. 787,4 51,1 3/52,12 dX 8235,3 51,1 3/10 dX 252,1 0,10 52,12 dk 8592,0 355 305 fcc fo cc i i R 8726,0 73,1 51,1 N cco cc I I R 8728,0 1 d cc X R 3373,3 73,1 3/0,10 B B B I V Z ..1457,1 upZ X X B d d EL GENERADOR SÌNCRONO CONECTADO A UN SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA INFINITA 3) Principio de funcionamiento en paralelo con un SEPI Proceso de sincronización Es el proceso, durante el cual se consiguen las condiciones necesarias que deben cumplir los alternadores para su conexión en paralelo: -Igualdad de tensiones TRTGSRSGRRRG VVVVVV ; ; Lo cual se consigue regulando la corriente de excitación del generador -Igualdad de frecuencias RRGGRG wfwfff 2 ;2 ; RG ww r mnn r m r mR r mG wpwpwpwwpw 2/.......2/2/ ; 2/ 2211 -Igualdad de secuencias de fases RG RSTRST )()( Lo cual es controlado por un secuencímetro o por el tipo de sincronoscopio utilizado. -Desfasaje de tensiones a 180° eléctricos 0 TRTGSRSGRRRG VVVVVV Lo cual se controla midiendo las tensiones entre los bornes del generador y la red con el interruptor abierto; o con el tipo de sincronoscopio utilizado. MÉTODOS DE SINCRONIZACIÓN A. Sincronización Exacta. Sincronización manual. Sincronización automática. B. Sincronización Brusca. TIPO DE SINCRONOSCOPIOS UTILIZADOS: - SINCRONOSCOPIO DE FLECHA GIRATORIA - SINCRONOSCOPIO DE LÁMPARAS AL APAGADO - SINCRONOSCOPIO DE LÁMPARAS A LUCES GIRATORIAS SINCRONOSCOPIO DE FLECHA GIRATORIA Para sincronizar dos sistemas, indica si el generador a ser acoplado esta o no en sincronismo con la red. Frecuencia: Monofásico: 60Hz ± 1% Trifásico: 60Hz ± 3% Consumo: Generador aprox. 20mA. Red aprox. 20mA. SINCRONOSCOPIO DE LÁMPARAS AL APAGADO SINCRONOSCOPIO DE LÁMPARAS A LUCES GIRATORIAS Bajo estas condiciones, las tensiones de ambos sistemas son representadas mediante diagramas fasoriales giratorios. RGV SGVTGV º120 G RRV SRVTRV º120 G En el momento preciso para la conexión a la red, el diagrama fasorial de los sistemas será: RGV SGVTGV TRV RRV SRV Por lo tanto,la corriente ( I ) del generador será igual a cero (el generador se encuentra en vacío). Simplificando al generador de rotor cilíndrico, se tiene: 0 d f df jx VE IIjxVE El período de variación de la tensión entre los bornes del generador y la red será: seg ff T GR 53 1 Hzff GR 2,03,0 Existirá un deslizamiento entre los fasores giratorios R GR w ww s LABORATORIO: MÁQUINAS ELÉCTRICAS II. PAB.”S” MS 3,5kVA Y 380V/5,3A If=1,2 A max. SINCRONIZADOR PARA CENTRALES ELÉCTRICAS. OPERACIÓN EN RÉGIMEN SOBREEXITADO Y SUBEXCITADO El generador síncrono ha sido puesto en paralelo con un SEPI y esta operando en vacío: 0 ; IVVE Rf ~ fE SEPI V BV 1T 2T 2TX1TX L LX LX dq XX , 0 ,0 0 QP RV VfE f d q Ecuación mecánica de movimiento del rotor dt dw jTT r m mec 0 Análisis de operación para una máquina de rotor cilíndrico. Régimen de compensador (Q = Variable; P = 0; =0) Si VEi ff IjxVE df y RV V fE f d q I º90 ~ RV C.S. CI LI Q RV QC 0cos3 VIP 03 VIsenQ compensador sobreexcitado: )( VE f régimen normal en horas de máxima demanda. Si VEi ff RV V fE f d q I º90 IXj d ~ RV C.S. CILI Q RV QL 0P 0Q compensador subexcitado )( VE f régimen normal en horas de mínima demanda. Régimen de generador (P = Variable) Si 0 VET fmec el rotor sufre una aceleración dt dw jTTT r m eomec El vector I se desplaza en la región angular 9090 RV V fE f d q I 0 IXj d 090 03 VIsenQ 0cos3 VIP C R Q P ~ P QG.S. 900 0 ,0 PQ L RV R Q P ~ P QG.S. Régimen de motor RV V fE f d q I 0 IXj d Si el rotor sufre una desaceleración 0 VET fmec El vector dt dw jTTT r m mecoe I se desplaza en la región angular 27090 18090 0sen3 VIQ 0cos3 VIP RV C R Q P 270180 0sen3 VIQ 0cos3 VIP RV L R Q P CARACTERÍSTICAS DEL CAMPO ELECTROMAGNÉTICO EN EL ENTREHIERRO ENTRE EL ESTATOR Y ROTOR 0g n 0eT 0g n eT 0g n eT Vacio Generador Motor Según la figura mostrada ,las líneas de campo según el régimen de operación estará distribuido como sigue: eT 0eT 0eT 0eT Distribución Vacío Simétricamente Generador Con tendencia y mayor concentración hacia la derecha - frenante Motor Con tendencia y mayor concentración hacia la izquierda - acelerante OPERACIÓN DE UNA CENTRAL La operación de las centrales eléctricas se basa en el equilibrio dinámico que se mantiene cuando la potencia suministrada es igual a la que demanda la carga de tal manera que la velocidad de rotación y la frecuencia de la red se mantengan constante, operando a la velocidad de sincronismo. Cuando se pierde la igualdad entre la potencia activa generada y de carga, generalmente debido a la variación de la carga, se tiene al aumentar la carga una DISMINUCIÓN y en caso contrario un AUMENTO de la frecuencia, para restablecer el equilibrio es necesario actuar sobre el Regulador de Velocidad, ocasionándose en el grupo una tendencia de "acelerar" o "frenar". Además, debemos mantener el equilibrio de la potencia reactiva generada y de carga, que significa mantener los voltajes constantes e iguales a los valores nominales para cualquier condición dé carga, en la práctica puede aceptarse un ± 5% de variación respecto a la nominal, y en el caso de barras de generación la tensión puede reducirse ligeramente con respecto a su valor nomínal en horas de mínima carga. La regulación de la tensión esta relacionada con el control de la potencia reactiva y en el caso de las Centrales Eléctricas se controla con el Regulador de Tensión, también se puede actuar sobre los centros de transformación o distribuidoras. ESQUEMA GENERAL PARA LAS PRUEBAS DEL DEL GENERADOR SÍNCRONO CURVAS DE OPERACIÓN Para la operación de un grupo de una central Eléctrica es necesario conocer tres curvas de trabajo de los generadores. CARACTERÍSTICAS DE VACÍO Y C.C. 3ϕ ESTACIONARIO Diagramas obtenidos luego de efectuar las pruebas de vacío y cortocircuito en los bornes del generador. CURVAS "V" Son los límites de corriente de excitación de un generador para que no pierda estabilidad o sincronismo y para evitar posibles sobretensiones en el generador CARTA DE OPERACIÓN PQ Representa el área donde debe trabajar el generador, se observa los límites de potencia reactiva, activa, factor de potencia y corrientes. OBTENCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR SÍONCRONO .;0);( constffIifEV Nff fE fE ccoI NI NV IV , fi ofi ccfi vacio c.c. Característica de vacío: M = R Vdc + - Ms Excitación S I Motor primo. f x VV V A Vacío V =(1,2-1,4)Vmax nominal M = R Vdc + - Ms Excitación S I Motor primo. f x A AAA Cortocircuito 3 I =(1,0-1,2)Imax nominal GENERADOR SÍNCRONO EN VACÍO: Característica externa: .;cos;);( constffconstconstiIfV Nf .;cos;);( constffconstconstVIfi Nf Característica de regulación: GENERADOR SÍNCRONO BAJO CARGA AUTÓNOMA: Característica de cortocircuito 3Φ: .;0);( constffVifI Nf Cortocircuito 3Φ (simétrico) en bornes del generador (ZN =0, V=0) Regulación o variación nominal de la tensión ante un rechazo de carga: N N V VV V 0 Característica bajo carga (R,C,L): .;cos;);( constffconstconstIifV Nf Bajo carga inductiva a cosφ = 0 : Característica en “V” o en “U”: .;);( constffconstPifI Nf PRUEBAS ESPECIALES DE OPERACIÓN En las centrales de generación es común efectuarse dos tipos de prueba para ver las condiciones de trabajo de un alternador, transformador o línea de transmisión, los cuales son: a.- PRUEBA DE TENSIÓN GRADUAL Similar a una prueba de vacío (sin carga), normalmente usado para probar una línea de transmisión o equipos nuevos. Es conveniente predisponer los relés de protección a las condiciones nominales y a un tiempo mínimo para proteger la máquina en caso de presentarse una posible descarga o falla a tierra o cortocircuito. b.- PRUEBA DE CORTOCIRCUITO INTEMPESTIVO Normalmente para probar un transformador o alternador luego de una reparación, es conveniente bloquear los relés de mínima impedancia para que no abran a los interruptores (lo ven como una falla al efectuarse la prueba). EL DIAGRAMA DE OPERACIÓN (CAPABILIDAD) O DIAGRAMA P-Q DE LA MAQUINA SINCRONA EN REGIMEN PERMANENTE CONSIDERACIONES PREVIAS El análisis está restringido a régimen permanente con condiciones definidas por los siguientes supuestos: a. Toda variación en la carga tiene un intervalo de tiempo corto, por lo que cualquier perturbación es considerada despreciable. b. En todos los casos la máquina síncrona está operando en paralelo con un sistema eléctrico de potencia infinita; es decir, conectado a una barra infinita con una tensión y frecuencia constantes independientes a los cambios de carga de la máquina en operación. c. Se puede obviar la saturación magnética, esto se justifica en que uno de los problemas más importantes de la máquina síncrona, tal como la estabilidad, usualmente se relaciona a la baja excitación (sin saturación). APLICACIÓN DEL DIAGRAMA FASORIAL DE LA MÁQUINA SÍNCRONA El trazado del diagrama P-Q para la máquina síncrona de polos salientes, tiene como fundamento la aplicación del diagrama fasorial de tensiones de Pothier. Diagrama fasorial de tensiones de la máquina síncrona de polos salientes 1.- El diagrama fasorial convencional de un alternador de polos salientes alimentando a una carga con un factor de potencia en atraso es mostrado en la figura 1(estudiado en la operación de la máquina síncrona), y que responde a las siguientes ecuaciones: qaqdadaaf IjxIjxIjxIrVE Despreciando ra0 qd III qqddf IjxIjxVE Donde: aadd xxx aaqq xxx y Son las reactanciassíncronas por los ejes d y q respectivamente. Sumando y restando dq Ijx se obtiene otra ecuación: dqdqf IxxjIjxVE )( Donde: IjxVE qQ dqdQ IxxjE )( y f E I dI qI A C dd IXj B j 1 q 0 d IXj q D q qI Xj V dqd IXXj dq IXj E dqd IXXj IXXj qd IXj d Figura. 1 Diagrama fasorial de tensiones girado en 90º. 2.- Para simplificar el procedimiento pasamos del plano complejo, a un plano cartesiano x-y trazados por el punto A, figura 2. I A C ddIX B x q 0 IX q D q q I X V dqd IXX dq IX E dqd IXX IXX qd IX d y G F 10 q d X X V 1 q d X X V d fE Figura. 2 Diagrama de tensiones. 3. Desde el punto D se traza una paralela al vector hasta corta a la prolongación del vector , punto F. El valor del segmento siendo xq la reactancia sincronía transversal y el ángulo que forman los segmentos y es igual al ángulo de par o de carga del generador síncrono. Además, de relaciones trigonométricas, se tiene: OEE f OAV qd xxVAF DF AF 1 )( )( q d qq qqd qq qq qqd x x VOF Ix VIxx OF V Ix senIxVsen IxxGO sen GO OF OF GO sen -Representa el efecto de los polos salientes como una contribución a la tensión interna (Ef). -Representa el diámetro de la circunferencia con centro en O1. En la figura 2 el triángulo OAD corresponde al diagrama fasorial de un generador síncrono de rotor cilíndrico. IjxVE df Considerando que las proyecciones del vector corriente I sobre los ejes vertical y horizontal son proporcionales a las potencias activa y reactiva, entonces se puede hacer figurar en él las potencias activa y reactiva que cede o absorbe la máquina en función del torque o par aplicado y la corriente de excitación. Para transformar el polígono de tensiones OADG de la figura 2, en un polígono de corrientes fig.3, es necesario dividir los cuatro lados por la reactancia sincrona Xd. A C dI B x q 0 D dX V E d d q I X X 1 I y G F 10 qX V 1 dq XX V 11 d d f X E q d q I X X Figura 3. Diagrama de corrientes del generador síncrono de polos salientes. Al unir el punto G con el punto A se obtiene el triángulo ADG, donde: IAD - Pasa a ser la corriente de armadura, desfasado a un ángulo la perpendicular a la tensión V. Esta corriente puede ser considerado como la resultante de dos corrientes: 'I X V GA d - Representa a la corriente de cortocircuito de un alternador con excitación nula. f d f i X E OEGD ' - Representa a la corriente de excitación reducida al inducido. Por lo tanto: fiIGDAGAD '' OBTENCIÓN DEL DIAGRAMA DE CARGA P – Q DEL GENERADOR SÍNCRONO DE POLOS SALIENTES (MÉTODO GRÁFICO) I D'' D' D F n n n n 1 2 3 4 G g g g g 1 2 3 4 ANOO' I H x L J G G'' G''' SUBEXCITADO R-C SOBREEXCITADO R-L P Q G' y m m m m 1 2 3 4 Límite práctico de estabilidad estacionaria. Límite de estabilidad estacionaria teórica. M 1 K N DATOS INICIALES: cos dx qx NV NI NS Factor de potencia nominal. Reactancia síncrona por el eje directo. Reactancia síncrona por el eje transversal. Tensión nominal por fase. Corriente nominal por fase. Potencia aparente nominal. Procedimiento: 1. Se trazan los ejes de las ordenadas y abscisas, que conforman el primer y segundo cuadrante. En la ordenada se asigna la potencia activa P y por la abscisa la potencia reactiva Q, ambos como fracción de la potencia aparente nominal. SUBEXCITADO R-C SOBREEXCITADO R-L P Q 2. El diagrama obtenido en la figura 3, se superpone con el sistema de coordenadas de tal forma que el punto A coincida con la intersección de las mismas (diagrama fasorial girado en 90º sentido horario). 3. Del inicio de coordenadas - Punto A – se traza el arco x-y, cuyo radio es igual a la potencia aparente nominal, Sn=1.0 pu (este arco corresponde a la corriente de armadura nominal In). I x SUBEXCITADO R-C SOBREEXCITADO R-L P Q y A 4. Del punto D se proyecta una recta perpendicular al eje de la ordenada en el punto H, el segmento representa a la potencia aparente nominal en pu, es la potencia activa nominal en pu y es la potencia reactiva nominal en pu. En el diagrama P-Q, se tiene el triángulo de potencias ubicado en el primer cuadrante para una carga con factor de potencia que usualmente se da en la práctica (carga tipo R-L o corriente en atraso). DA AH DH 0N I D A I H x SUBEXCITADO R-C SOBREEXCITADO R-L P Q y N 5. Del diagrama de corrientes de la figura 4 se sabe que: dx AO 1 qx AF 1 Sobre el segmento dq xx AOAFOF 11 tomado como diámetro se obtiene el semicírculo FGO con centro en el punto O’. Los puntos F y D se unen a través de una recta que intersecta el semicírculo en el punto G, de donde: DG AO DFA Representa a la corriente de excitación bajo carga nominal. Es la corriente de excitación en vacío y a tensión nominal. Ángulo interno de carga VE f ^ 6. Desde el punto F, arbitrariamente, se trazan rayos por debajo de . GD Estos rayos intersectan el semicírculo en los puntos G’, G’’, G’’’, etc. Desde estos puntos y sobre los rayos correspondientes, se asignan los segmentos G’D’=G’’D’’=G’’’D’’’=GD, y sobre la abscisa el segmento IO=GD igual a la corriente de excitación. I D''' D'' D' D F AOO' I H x G G'' G''' SUBEXCITADO R-C SOBREEXCITADO R-L P Q G' y N 7. Al unir los puntos I, D, D’, D’’, D’’’, etc. Se obtiene la curva DI – Línea de la corriente de excitación nominal, que determina la región de operación permisible para y . El segmento corresponde a la potencia reactiva máxima permisible de un alternador hidráulico en régimen de compensador síncrono ( ) sobreexcitado. N coscos 0 AI 0cos I D''' D'' D' D F AOO' I H x G G'' G''' SUBEXCITADO R-C SOBREEXCITADO R-L P Q G' y N 8. Nuevamente desde el punto F se trazan arbitrariamente una serie de rayos que intersectan el semicírculo FGO en el arco FG. Desde estos puntos de intersección y sobre cada uno de los rayos. Se asignan elementos de iguales longitudes (k1g1, k1g2, k1g3, etc.). Luego los puntos g1, g2, g3 de cada rayo se unen para obtener las curvas m1n1, m2n2, m3n3, etc. I D''' D'' D' D F n n n n 1 2 3 4 k g g g g 1 2 3 4 ANOO' I H x G'' G''' SUBEXCITADO R-C SOBREEXCITADO R-L P Q y m m m m 1 3 4 1 N I D''' D'' D' D F n n n n 1 2 3 4 k ANOO' I x J G'' G''' SOBREEXCITADO R-L P Q y m m m m 1 2 3 4 1 K N 9. Se ubican los puntos máximos de estas curvas, respecto a la abscisa o eje de la potencia reactiva, corresponden a las potencias activas máximas tomadas para valores arbitrarios de corrientes de excitación al unir estos puntos máximos se obtiene la curva KJ, denominada “límite de estabilidad estacionaria teórica”. 10.Considerando las posibles variaciones de los parámetros, respecto de los valores teóricos o calculados, normalmente se recomienda tomar una reserva en el límite de estabilidad estacionaria, que corresponde al 10% de la potencia nominal. Con este objetivo en las curvas m1n1, m2n2, m3n3, se ubican los puntos menores en 0,1 con respecto a los puntos correspondientes a la potencia activa máxima (puntos que unen la curva de estabilidad teórica). Uniendo estos puntos se obtiene la línea LM que corresponde al “límite de estabilidad estacionaria práctica”. DA I D''' D'' D' D F n n n n 1 2 3 4 k g g g g 1 2 3 4 ANOO' I H x L J G'' G''' SUBEXCITADO R-C SOBREEXCITADO R-L P Q y m m m m 1 3 4 Límite práctico de estabilidad estacionaria. Límite de estabilidad estacionaria teórica. M 1 K N 11.Con la finalidad de eludirla remagnetización de la máquina al considerar las variaciones posibles de los parámetros de excitación respecto a las teóricas en régimen subexcitado del generador, se requiere plantear una limitación adicional con respecto a la “corriente de excitación mínima admisible”. Esta limitación adicional, es tomada generalmente como el 20% de la corriente de excitación en vacío o el 15% de la corriente de armadura nominal. En consecuencia sobre los segmentos GD, G’D’, G’’D’’, etc., en los puntos G, G’, G’’, G’’’ se designa el segmento igual a 0.2 ó 0.15 Luego uniendo los puntos fijados en cada segmento se obtiene la curva NM, denominada “Línea de corriente de excitación mínima”. AO DG Carta de Operación P-Q de un generador Síncrono de polos salientes conectado a una red de potencia infinita. I D F ANOO' I H L SUBEXCITADO R-C SOBREEXCITADO R-L P Q Límite práctico de estabilidad estacionaria. Límite de estabilidad estacionaria teórica. M 0,8 0,6 0,9 0,98 N Límite de la máquina prima I a ple na ca rga . f (fdp nominal) % margen de excitación. 0,2 0,4 0,6 0,8-0,2-0,4-0,6-0,8 (Factor de potencia en atraso.)(Factor de potencia en adelanto.) Límite térmico del bobinado de campo. Límite térmico del bobinado de armadura. CONCLUSIONES 1. Como resultado del método gráfico planteado, se obtiene la figura IDYLMNI cuya área corresponde a la región limite de operación del generador, conectada a una red de potencia infinita a factor de potencia variable. Esta región esta limitada por las siguientes condiciones: 2. Límite de corriente de excitación Máxima (Línea ID): La corriente de excitación admisible no debe superar su valor nominal con la finalidad de evitar el sobrecalentamiento de su devanado. fNf ii 3. Límite de corriente de armadura (Línea DYM): La corriente de armadura no debe superar su valor nominal (I<IN). Con la finalidad de evitar el sobrecalentamiento de su devanado. N N N V S I 3 4. Límite de estabilidad estacionaria (Línea MN), Teóricamente este limite viene fijado por el ángulo de carga del generador conectado a una red de potencia infinita radianes eléctricos, sin embargo, la línea de estabilidad practica obedece a tener un cierto margen de seguridad. 2 max 5. Límite de corriente de excitación mínima (Línea NM): La corriente de excitación admisible no debe estar por debajo de una corriente mínima ( ) donde y con lo cual el generador estaría perdiendo sincronismo. minff ii NPP max crit max 6. Límite de la potencia máxima que el motor primo puede suministrar. Por lo general no admiten excesivas sobrecargas, por lo que su potencia se toma como: La línea que limita esta condición será la recta horizontal que pasa por el punto D. N MPmec P PP
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