MÁQUINA SINCRÓNICA

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Area Electrotecnia y Máquinas Eléctricas Máquinas e Instalaciones Eléctricas Ing. Osvaldo Luis Mosconi 1 Máquinas sincrónicas.- Generación de una f.e.m. alterna para extraer esa f.e.m. se emplean anillos rozantes y escobillas. Características constructivas.-

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Máquinas sincrónicas.- Generación de una f.e.m. alterna

para extraer esa f.e.m. se emplean anillos rozantes y escobillas.

Características constructivas.-

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generador sincrónico trifásico (alternador) principio

conexión del inducido al exterior: se usan 4 anillos.

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Los movimientos son relativos.

inductor rotórico

2 polos ? 3.000 r.p.m. 4 polos ? 1.500 r.p.m 6 polos ? 1.000 r.p.m 8 polos ? 750 r.p.m 12 polos ? 500 r.p.m 16 polos ? 375 r.p.m

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Fuerza electromotriz.-

kfPm

ZE máx ⋅⋅⋅⋅

⋅= φ44,4

donde: Z es el número de lados activos de bobina m es el número de fases P es el número de polos f es la frecuencia φmáx es el valor máximo del flujo por polo ( admitiendo una distribución armónica del flujo) k es el factor de bobinado. DP kkk ⋅= kP = factor de paso kD = factor de distribución Factor de paso

b = 7

= 7

= 1

N S

b = 6

= 7 = 6/7

N S

- b = 1

τ es el paso polar b es el paso de bobina

Eb

e e- b

b/2

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eEb

kP ⋅=

2

222 bsenkbseneEb P =⇒⋅⋅=

Factor de distribución

N S

b

O

A BE

Eb1Eb2

Eb3

nbibbb

DEEEE

Ek

+++++=

......21.

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Fuerzas magnetomotrices.-

Fr

E0

I

Fe

Fer

Fr es la f.m.m del campo rotante del inductor E0 es la f.m.m. inducida en vacío I es la corriente de carga Fe es la reacción de inducido Fer es la f.m.m. resultante o f.m.m. de entrehierro Impedancia sincrónica por fase.-

Fr

E0

I

Fe Fer

E1

U

A

B

C

Fr es la f.m.m del campo rotante del inductor E0 es la f.e.m. inducida en vacío I es la corriente de carga Fe es la reacción de inducido Fer es la f.m.m. resultante o f.m.m. de entrehierro E1 es la f.e.m. inducida en carga

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Suponiendo una linealidad entre (Fr ; E0) y (Fer ; E1) AB es - a I

ϕjXIAB ⋅= Xf es una reactancia que representa la reacción de inducido Xd es la reactancia de dispersión del bobinado

( )ϕϕ XXIXIXIXI ddS +⋅=⋅+⋅=⋅ ( ) Sd XXX =+ ϕ conocida como reactancia sincrónica Circuito equivalente de la máquina sincrónica. Como generador

SjXIRIEU ⋅−⋅−= 0

E0

IU

I·jXS

I·R

Exc.

E0

XS RU

I

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Como motor sería

SjXIRIEU ⋅+⋅+= 0

Exc.

E0

XSRU

I E0

I

U

I·jXS

I·R

Potencia interna de la máquina sincrónica.- Despresiando R

E0

I UI·jXS

0

αcos0 ⋅⋅= IEPi

SXIsenU⋅

⋅= 0cos

δα

000

0 δδ

senX

UEXI

senUIEP

SSi ⋅

⋅=

⋅⋅

⋅⋅=

E0

I

U

0

I·jXS

Generador

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Potencia reactiva de la máquina sincrónica.

E0

I UGenerador

Al aumentar E0 aumenta la entrega de potencia reactiva inductiva a la carga.

Al aumentar E0 aumenta la potencia reactiva capacitiva de la carga. Si 00 →δ pasa a ser condensador sincrónico Como generador

E0

I UGenerador

Al disminuír E0 aumenta la entrega de potencia reactiva capcitiva a la carga.

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Posibilidades de funcionamiento de la máquina sincrónica

U

E0

0

Generador concarga inductiva

Generador concarga capacitiva

Motor capacitor

Motor inductor

U

E0

0

Generador concarga inductiva

Generador concarga capacitiva

Motor capacitor

Motor inductor

Límite deestabilidad

Balance energético de la máquina sincrónica.- Como generador

EXCMECE PPP +=

ϕcos3 ⋅⋅⋅= IUPS

αcos3 0 ⋅⋅⋅= IEPI

RIPP SI23 ⋅+=

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RotFeIMEC PPPP ++=

Exc.

XS RU

I

P .MEC PFe PIPEXC PSI · R2

PROT

SRotFeEXCEXCMECE PRIPPPPPP +⋅⋅+++=+= 23 Como motor:

EXCELECE PPP +=

Exc.

XSRU

I

P .MECPFePEXC I · R2 PROTPELEC

RIPPPP RotFeMECELEC ⋅⋅+++= 23 también ϕcos3 ⋅⋅⋅= IUPELEC

RIPPPPP RotFeMECEXCE ⋅⋅++++= 23 Ensayos característicos de la máquina sincrónica.- 1. Ensayos con corriente continua sobre el estator y el rotor . 2. Ensayo en vacío como generador. 3. Ensayo en cortocircuito como generador

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+ -

Exc.n = cte

G

(a)

Ie

E = V3

Ie

(b) Ensayo en vacío de un generador sincrónico: a) esquema de conexiones b)

resultado experimental obtenido

+ -

Exc.n = cte

G

(a)

Ie

Ie

(b)

Icc.Icc.

Ensayo en cortocircuito de un generador sincrónico: a) esquema de conexiones b) resultado experimental obtenido

Determinación de la reactancia sincrónica a partir de las características de vacío y

de cortocircuito E

Ie

Icc

E1

E2

E3

Ie1 Ie2

Icc1

Icc2

En la zona lineal sin saturación ( ) 22

1

1linS

CC

XRIE

+= pero si XSlin>>R

1

1

CCSlin I

EX =

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y en la zona de saturación

2

2

CCSsat I

EX =

Si se representa la reactancia sincrónica en función de la corriente de excitación se obtiene el siguiente gráfico.

Excitación de máquinas sincrónicas.- Para alimentar el inductor se deberá disponer entonces de una fuente de corriente continua con posibilidades de regulación.

Inducido

Inductor

Alternador

X S

(X )S lin

Ie

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excitatriz independiente

Excitatriz Alternador

inductor G = inducido

r regulador de tensión

Autoexcitado con reactor saturable y rectificación por diodos.

Alternador

inductor inducido

T.U. T.I

pulsador reactor batería

rectific.

Autoexcitado con rectificación controlada por tiristores.

inductor

Electrónica de control

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Excitación sin escobillas (brushless)

generador de imanes alternador permanentes pequeño rectific.

N S

control electón

Paralelo de alternadores.- Condiciones: 1. Igual tensión de línea. 2. Igual frecuencia. 3. Igual secuencia de fases. 4. Igual fase.

G~~~

G~~~

21

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R2R1

S2

T2 S1

T1

R2

R1

S2

T2

S1

T1

U 1-2

en fase desfasados

G G21

R

S

T

columna de sincronismo Procedimiento 1.- Verificación de secuencia (se hace solamente cuando se efectúa la instalación o

se desmonta y rehace la instalación) 2.- Comparación de tensiones 3.- Comparación de frecuencias 4.- Verificación de fase 5.- Conexión 6.- Dar más potencia a la máquina motriz para tomar potencia activa.

7.- Sobreexcitar el alternador para tomar potencia reactiva.

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E0

I U

Motor sincrónico.-

Motor sincrónico capacitivo

Arranque del motor sincrónico

N

SS

N

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15.- Características del motor sincrónico.- Curvas en “V” o de Mordey

Ii

Ie

cos

=

1

cos

=

0,8

cos

=

0 ,8

capa

citivo

indu

ctivo

vacío

Pnom.

2/3 Pnom.

1/3 Pnom.

Zona decalentamientoy satuaración

Ines

tabil

idad

sobreexcit.subexcit.

Cupla en función de d para rotor cilíndrico

0

Cup

la

MOTOR

GENERAD.2

2

Para polos salientes

N SS

Cuplaelectromag.

Cupla dereluctancia

Cuplaresultante