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MAQUINAS SINCRÓNICAS.

1. Estructura Física.- Casi toda la potencia eléctrica usada en el mundo es generada mediante

maquinas sincrónicas, es decir, transformar energía mecánica en energía eléctrica.

Son usadas en ciertas ocasiones para compensar potencia reactiva y control de voltaje.

Partes de una Maquina Sincrónica Trifásica.

Ilustración 75 • Partes de una Maquina Sincrónica Trifásica

Consta de: 2 devanados principales

El de campo El de armadura

El devanado de campo es alimentado con una fuente de corriente directa para

producir un campo magnético fijo que induce el voltaje de corriente alterno en el devanado de armadura, una vez que cualquiera de los 2 están en movimiento.

Tiene doble excitación: El devanado de armadura de una maquina sincrónica es similar al devanado del

estator de un motor de Inducción Trifásico. La diferencia entre las 2 máquinas está en el rotor.

73

La fuente de alimentación de corriente continua del devanado de campo puede ser:

Una fuente de dc variable. Un imán permanente sin control independiente de campo Aprovechar el voltaje inducido en el rotor y rectificarlo para aplicar el d. de campo.

ESTATOR:

Conocido como devanado de armadura.

ú

ROTOR:

Conocido como devanado de campo Es alimentado por una fuente de dc. Para crear un electroimán para controlar la

magnitud del campo. Se tiene 2 tipos de rotores:

Rotores de polos lisos o cilíndricos (alta velocidad)-> TURBINA DE VAPOR Rotores de polos salientes (baja velocidad)-> TURBINA HIDRÁULICA

Características físicas del ESTATOR:

Esta formada por laminaciones delgadas de acero sumamente permeable (reducir pérdidas en el núcleo).

Se mantiene juntos por medio de un bastidor El bastidor se construye por medio de un acero suave, creado no para conducir

flujo, sino para dar apoyo mecánico al generador. el estator tiene ranuras cuyo objetivo es alojar los gruesos conductores de los

bobinados. La fem inducida por fase en generadores síncronos es de gran tamaño, en el

orden de los KV, con capacidad de generación que se mide en megavolt-amperes (MVA)

Características físicas del ROTOR:

Tiene tantos polos como el estator. Su devanado conduce corriente directa Los rotores cilíndricos tienen ventajas como:

Operación a velocidad altas Mejor equilibrio Reduce pérdidas por viento.

el rotor de polos salientes presenta pérdidas pequeñas en su devanado.

74

Ilustración 76 Polos del rotor

Características constructivas

75

→Estructura de la máquina síncrona. Estátor y rotor.

Ilustración 77 Estructura de la máquina síncrona. Estátor y rotor.

CIRCUITO EQUIVALENTE.

Generalmente se usa el modelo para un rotor cilíndrico:

Ilustración 78 circuito equivalente.(modelo para un rotor cilíndrico)

CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN GENERADOR SINCRONO

Ø á ó

76

í

: ó

: ó .

.

: →

∅

En conexión Y: , en conexión Δ:

√3 √3

Regulación de Voltaje:

%∅

∅∗ 100

Ejercicio: Un generador síncrono de 9KVA, 208 V, trifásico y conectado en Y tiene un devanado con resistencia 0.1Ω/fase y una reactancia síncrona de 5.6Ω/fase. Determine su regulación de voltaje cuando el factor de potencia de la carga es a) 80% en atraso, b) la unidad y c) 80% en adelanto.

√120

∗

25

a) =0.8 en retraso ⇒ 36.87°

120 0.1 5.6 ∗ 25∠ 36.78° 233.77∠28.21°

%233.77 120

120∗ 100 94.8%

b) =1⇒ 0°

120 0.1 5.6 ∗ 25∠0° 186.03∠48.81°

%186.03 120

120∗ 100 55.03%

c) =0.8 en adelanto ⇒ 36.87°

120 0.1 5.6 ∗ 25∠36.78° 119.69∠71.49°

%119.69 120

120∗ 100 0.26%

77

RELACIONES DE POTENCIA:

POTENCIA MECANICA: (impulsador primario)

:Par dado por la excitación externa.

:Velocidad de la excitación externa.

POTENCIA ENTRADA ⇒

:Constante Por fuente de excitación dc

POTENCIA SALIDA: 3

Pérdida en el cobre armadura: 3

Pérdidas adicionales: Pérdidas por rotación (constante).

Pérdidas por carga parásita (constante).

⇒ 3 3

: ⇒

3

3 3

Condición de eficiencia máxima: 3

→

á é é

Ejemplo: Un generador, trifásico de 9KVA, 208V, 1200 rpm, 60Hz y conectado en Y, tiene una resistencia en el devanado del campo de 4,5Ω. La impedancia del devanado de la

armadura es de 0.3 5 Ω

. Cuando el generador opera a plena carga con un factor

de potencia de 0.8 en atraso, la corriente en el devanado de campo en 5A. La pérdida por rotación es de 500w. Determinar a) la regulación de voltaje, b) la eficiencia del generador, c) el par aplicado por el impulsor.

78

%∗ 100%

a) √

120 → 120∠0

9000

120.325 → 25∠ 36.87

120∠0 25∠ 36.87 ∗ 0.3 5

222.534∠25.41

% 85.45%

b) 3 2 ∗ 120 ∗ 25 ∗ 0.8 7200 →

é ú : 3 3 ∗ 25 0.3 562.5

: 87762.4

á → 3 . ∗ 7762.4

500 25 ∗ 4.5 612.5

→ 8375

7200

8375∗ 100% 0.86 → 86%

2 ∗ 120

6040

7762,5 500 8262,5

8262,5

4065.75 .

OPERACIÓN EN PARALELO DE G.S.

La generación, transmisión y distribución debe realizarse de la forma más eficiente, confiable y segura posible, con un costo razonable.

Eficiencia: G.S. funcionando con eficiencia máxima a plena carga o cerca a ella.

79

La demanda de energía fluctúa entre carga ligera-carga considerable en forma periódica durante un intervalo de tiempo. Es casi imposible operar al alternador siempre a su frecuencia máxima.

CONFIABILIDAD.- el consumidor no debe notar perdidas de energía en el sistema.

Debido a ese criterio no puede ser un solo alternador dar las características de eficiencia y confiabilidad para el funcionamiento de un sistema eléctrico.

Se usa un sistema central para garantizar eficiencia y confiabilidad donde existe un número de generadores sincrónicos en paralelo para satisfacer la demanda.

La conexión en paralelo permite conectar o desconectar alternadores según la demanda del sistema.

La línea conductora a la que van conectados los alternadores se llama conductor o bus infinito, donde se encuentra inclusive no solo generadores sino centrales.

Para conectar el alternador al conductor infinito se debe cumplir:

1. El voltaje de línea del alternador que entra debe ser el mismo que el voltaje que es casi constante del conductor infinito.

2. La frecuencia del alternador también debe ser la misma. 3. Las secuencias de fases del alternador entrante también debe ser la misma que

las secuencias de fases del conductor infinito.

PASOS DE CONEXIÓN.

Paso1.- el alternador se impulsa a la velocidad especificada, o cerca de ella, y la corriente del campo aumenta hasta el nivel en el que el voltaje sin carga es casi igual al del sistema, este voltaje es revisado por un voltímetro colocado entre 2 líneas del alternador entrante, cuando el interruptor está abierto.

80

Paso2.- Para comprobar la secuencia de fase se colocan asimétricamente 3 lámparas, cuando la secuencia de fase de B es la misma que A, la lámpara L1 está apagada mientras las otras iluminadas, sino las 3 están prendidas o apagadas.

Paso3.- cuando al secuencia de fase es la apropiada y la frecuencia de B es exactamente igual a la de A, la lámpara L1 permanece apagada, y las otras dos encendidas. Cualquier desfase obliga a las 3 lámparas a pesar de estar apagadas a encendidas en orden sucesivas, se conecta además un sincronoscopio (mide la condición de sincronía) en una de las fases. Si hay diferencia de velocidad se modifica controlando la alimentación de energía mecánica del alternador (impulsor primario).

Paso4.- se cierran los interruptores cuando

a) Vb=VL b) L1 apagada y L2, L3 prendidas. c) El sincronoscopio en posición vertical (posición cero diferente de fase)

Cuando B entra en línea (interruptor cerrado) no está recibiendo ni alimentando energía (estado flotante del alternador).

CIRCUITO DE DOS G.S. OPERANDO EN PARALELO (POR FASE)

IL= corriente de carga

ZL= impedancia de carga

Ia1, Ia2= corriente de la armadura

De igual forma

Manipulando ecuaciones

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Ejercicio: Dos generadores síncronos, trifásicos, conectados en Y tienen voltajes generados por fase de 120∠10° y 120∠20° [V], en condiciones sin carga y reactancias de j5Ω/fase y j8Ω/fase, respectivamente. Están conectados en paralelo a una impedancia de carga de 4+j3Ω/fase. Determine:

a) El voltaje por fase en las terminales. b) La corriente de armadura de c/generador. c) La potencia suministrada por c/generador. d) La potencia total de salida.

120∠10° 120∠20°

5 Ω ; 8 Ω ; 4 3 Ω 5∠36,87° Ω

a) 82,17∠ 5,93°

b) 9,36∠ 51,17°

7,31∠ 32,06° ⇒

16,44∠ 42,8°

c) 3 . ∗ 1624,68

3 . ∗ 1617,82

d) 3242,5

82

MOTOR SÍNCRONO.-

ESTRUCTURA Y FUNCIONAMIENTO.-

- La armadura de un motor síncrono es igual al de un generador.

-

- Un motor síncrono no puede arrancar por sí mismo, para lo cual se añade un devanado adicional llamado devanado amortiguador o devanado de inducción.

- El devanado de inducción puede ser de 2 tipos: jaula de ardilla o de rotor devanado.

- El devanado amortiguador sirve también para controlar la oscilación en el motor ya que produce pares de amortiguación cuando el rotor gira a mayor velocidad cuando la carga del motor varía.

- Al devanado de armadura colabora únicamente con el arranque del motor para que la velocidad del rotor adquiera una velocidad muy parecida a la de sincronía.

83

Circuito Equivalente

Para Rotor Cilíndrico:

Circuito Equivalente de un Motor Sincrónico por Fase

120

- Puede funcionar con un factor de potencia en atraso, unitario o en adelanto simplemente controlando su corriente de campo. (Mediante la fem inducida en el rotor).

3 3 3

Ejemplo: Un motor sincrónico, trifásico, de 10Hp, 230V, 60Hz, conectado en Y suministra plena carga con un factor de potencia de 0.707 en adelanto. La reactancia

sincronica del motor es de 5Ω

. La perdida por rotación es de 230W y la perdida

en el devanado de campo es de 70W. Calcule el voltaje generado y la eficiencia del motor. Desprecie las resistencias en el devanado de armadura.

10 ∗ 746 7460 3 3

7460 Pr 7.690

√3 ∗ 230 ∗ 0.707

27.3

84

7.690 70 7.760

0.961 96.1%

139.790 [V]

27.3∠45 [A]

Ea = 248.8∠ -22.8 [V]

2) Un motor síncrono, trifásico, tetrapolar, de 2hp, 120 V, 50 Hz conectado en Y, tienen una impedancia síncrona de 0,2+j6π/fase. La pérdida de fricción y viento es de 20W, por rotación es de 100W.

La devanada de campo es de 30W. Calcular la eficiencia del motor y el voltaje inducido y la velocidad de sincronía.