1

Máquinas Sincrónicas

Armengol Blanco

Generador Sincrónico

Máquina sincrónica

Estator Rotor

Estator

Rotor

Estator

Rotor

Estator

Rotor de polos salientes Rotor de polos salientes

2

Rotor cilíndrico Generador Hidráulico

Generador HidráulicoGenerador Sincrónico

Generador de CA Elemental Generador de CA Elemental

3

Máquina Sincrónica

ns velocidad sincrónica rpm f frecuencia Hz p #polos

pf120ns

Rotor

Rotor lizo en alternadores de turbogeneradores

Rotor de polos salientes empleadas en centrales hidráulicas

Rotor lizo de dos polos Rotor de polos salientes

Rotor de polos salientes Inductor de 10 polos

4

Campo Magnético Giratorio

Inducido Fijo Distorsión del campo magnético

Variación del campo magnético Generador Síncrono (Tipos de rotor)

Generador de Rotor Liso (Rotor Cilíndrico)

4 polos

N N

S

S

Generador de Polos Salientes

4 polos

N N

S

S

5

Tipos de Máquinas Síncronas

Inductor fijo (Laboratorio de Máquinas) Inducido móvil

Inductor móvil Inducido fijo (Estator)

Ventajas Constructivas: Inducido fijo e Inductor móvil

Aumento de la resistencia de los dientes del inducido

Ventajas Constructivas: Inducido fijo e Inductor móvil

Reacción de armadura reducida Mejor aislamiento Ventajas constructivas Número de anillos rozantes aislado

Necesarios Ventajas de Ventilación Menores peso e inercia del rotor

Estator

Fabricado de material ferromagnético laminado

El radio interior está ranurado

Estator

Devanado de armadura

Ranura

Ranura abiertaRanura cerradaEstator

Devanado de armadura

Estator

Devanado de armadura

Ranura

Ranura abiertaRanura cerrada

Ranura

Ranura abiertaRanura cerrada

Estator

Por lo general es en el estator donde se ubica el devanado de armadura (devanado trifásico)

El estator de una máquina sincrónica es idéntico al de una máquina de inducción

Estator máquinas sincrónicas

6

Estator máquinas sincrónicas Diferentes máquinas sincrónicas

EstatorRotor

El rotor de la máquina es la parte interior de la máquinaMontado sobre un eje que le permite rotar librementeFabricado de material ferromagnético laminadoSe tienen 2 tipos de rotores: rotor de polos salientes y rotor cilíndrico

Rotor

Por lo general en el rotor se encuentra el devanado de campo, al cual se le aplica corriente directa a través de anillos deslizantes y escobillas cuando la fuente es externa.

Devanado de campo

Polo magnético

Polo magnético

Terminales devanado de

campo

Devanado de campo

Polo magnético

Polo magnético

Terminales devanado de

campo

Rotor

Existen máquinas en donde la fuente de alimentación para este devanado estámontada en el mismo rotor por lo que carece de anillos deslizantes y escobillas

Devanado de campo

Polo magnético

Polo magnético

Terminales devanado de

campo

Devanado de campo

Polo magnético

Polo magnético

Terminales devanado de

campo

7

A) Rotor cilíndrico. B) Rotor de polos salientes

CYLINDRICAL ROTOR

LINES OF MA GNETIC FLUX

Rotor de polos salientes

Rotor de polos salientes: Vertical Rotor de polos salientes: Vertical

Rotor de polos salientes: Vertical Rotor de polos salientes: Horizontal

8

Polo saliente de una máquina sincrónica

Polo saliente de una máquina sincrónica

Devanado de campo

Eje de campo (CD)

Rotor

fI

Entrehierro

Eje de la fase A

Eje de la fase BEje de la fase C

a a’

b’

c’ b

c

Estator

Maquina síncrona de dos polos

Máquina Sincrónica Trifásica

Sistema de excitación Sistema de excitación

FEM inducida

Ne/f Espiras por fase f frecuencia kp factor de paso kd Factor de

distribución ke Factor de hélice a circuitos en

paralelo Flujo

]V[a

kkfkN44.4E edpf/e

Factor de paso: kp

2senk p

y

Paso relativo

y Paso de la bobina

Paso Polar

Armónica

9

Factor de distribución

2qsenq

2qsen

k 1d

mq2senq

m2sen

k 1d

mq2senq

m2qsen

k d

mq

q Ranuras por fase Ángulos entre ranurasm Número de fases

Factor de distribuciónFactor de hélice

Está relacionado con la inclinación de las ranuras respecto al eje del rotor

Normalmente 1 2

2sen

kh

tan

Factor de Hélice Armónicas causadas por las ranuras

10

Armónicas causadas por las ranuras

Armónicas causadas por las ranuras

Armónico de inducción

m3med

3m3med3

1m1med1

B2B

...........................

B3

2B3

B2B

ll

ll

ll

FEMs

1m1mcon

13m13m333con

11m111con

fB2fB2f2

E

....................

fB23fB3

2f2

E

fB2f2

E

ll

ll

l

11513 ff.....,;f5f;f3f

Valor eficaz de la FEM en un conductor

...k...kk1f2

E

...BB

...BB

BB

1E

...EE

...EE

EE

1E

.....E...EEEE

2B

25B

23B11con

2

1con

con

2

1con

5con

2

1con

3concon

2

1con

con

2

1con

5con

2

1con

3concon

2con

25con

23con

21concon

1m

mB

1m

5m5B

1m

3m3B B

Bk....;;

BB

k;BB

k

Ejemplo

Z= 36 ranuras p=4 m= 3 fases y=9 =1 a=1

11

Flujo de dispersión

Flujo de dispersiónGenerador Síncrono de Rotor liso

Diagrama fasorial

EE

La referencia es el voltaje de terminales:

0VV

La magnitud del voltaje interno es proporcional a la corriente de campo:

2ff IM

E

I

E

V

IRa

IjX s

La impedancia de la maquina:

ZjXRZ sa

Circuito equivalente

Ecuación de voltaje del circuito:

IjXRVE sa

)(

aR

E

I

V

sjX

Voltaje interno.E

Donde:

Resistencia de armadura.aRReactancia síncrona.sXVoltaje en terminales.V

Corriente I

12

Generador Síncrono de Rotor lisoPotencia de generación:

IVS

ZVE

ZVEI

0

sen)sen(cos)cos(22

ZVj

ZVEj

ZV

ZVES

Donde:

j

j

ZeVEeI

Donde:

sen)sen(

cos)cos(

2

2

ZV

ZVEQ

ZV

ZVEP

Entonces:

Si aR se desprecia:

90 yjXZ s

Donde:

VEXVQ

XVEP

s

s

cos

sen

Generador Síncrono de Polos Salientes

Potencia de generación:)11(

2)2cos()(

2cos

)2sen()11(2

sen

22

2

qdqd

qd

d

dqd

XXV

XXXXV

XVEQ

XXV

XVEP

S

N

I

E

Eje d

dd XjIV

Eje q

dI

qI

qq XjI

Diagrama fasorial

Curva de Capacidad

• La curva de capacidad de un generador se deriva de manera simplificada sin tomar en cuenta el efecto de saturación y despreciando la resistencia y capacitancia en los devanados.

Curva de Capacidad

• Cuando la máquina síncrona opera en sus valores nominales, es decir; valores a los cuales los devanados y el núcleo alcanzan la temperatura de régimen de diseño, se obtienen las fronteras de la región de operación dentro de la cual la máquina no sufre daño ni envejecimiento prematuro.

Curva de Capacidad del Generador de Rotor Liso

Límite de corriente de campo

sXVE

r

sXVb

a2

0

Recordando:

VEXVQ

XVEP

s

s

cos

sen

222

222

2

222

)()(

)(

rbyax

XVE

XVQP

SQP

ss

Entonces:

Rotor:

),0(2

sXV

m

nomMVA 9.0fp

m

Límite de calentamiento de cabezales o de subexcitación

Q6.0

Límite máximo de la fuente de energía

mecánica

Límite mínimo de la fuente de energía

mecánica

pu1

Límite de corriente en el estator

0

nomnom IVS 3

Estator: Q

Q

P

nomnom IVS 3

e

Límite práctico de estabilidad

h

i

j

Curva de Capacidad del Generador de Polos Salientes

Recordando:

CBAS

jsenXVEjsen

XXXXV

XXVjS

jQPS

dqd

qd

qd

)cos())2cos()2()((2

)11(2

22

nomnom IVS 3

Estator:

Rotor:

)11(2

)2cos()(2

cos

)2sen()11(2

sen

22

2

qdqd

qd

d

dqd

XXV

XXXXV

XVEQ

XXV

XVEP

A B C

)sen()cos(1

q

q

XIVXI

tan

)sen()cos( dXIVE

21

88cos

21

BC

BC

m

Ángulo :

Voltaje interno:

Ángulo máximo :m

13

Curva de Capacidad del Generador de Polos Salientes

Límite practico de estabilidad (margen de 10%)

0

Límite de corriente en el estator

Q

Q

P

A

pu1

nomnom IVS 3

)cos(sen

))2cos()2)(sen((2

)11(2

2

2

jXVEC

jXX

XXVB

XXVjA

CBAS

d

qd

qd

qd

B2

Circulo de reluctancia

Límite de corriente de campo

C

m nomMVA

mm2 Límite teórico de

estabilidad permanente

Límite práctico de estabilidad permanente

10%

Tipos de devanados

Devanado Imbricados: Son generalmente más usados debido a

que las conexiones de cabeza de bobina son más cortas

Devanados Ondulados

Características de los Alternadores Síncronos

Características en vacío Características en cortocircuito Características en carga Características exteriores Características de regulación

Ensayo en Vacío

14

Característica en vacío Ensayo en cortocircuito

Características en cortocircuito Características en cortocircuito

Reactancia Síncrona Reactancia Síncrona

15

Característica V-Ia, If=cte Características Exteriores, Iex=cte

Características de regulación Características de regulación

Curvas en V de un generador síncrono

Cortocircuito

16

Componente simétrica de la falla