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UD. 4

MAQUINAS ELECTRICAS

Descripción: Principios de electromagnetismo y funcionamiento y aplicaciones de las diferentes

máquinas eléctricas.

ELECTROTECNIA APLICADA A LA INGENIERIA MECÁNICA

1

MÁQUINA SÍNCRONA: ALTERNADOR

Tema 4.3.

2

Tema 4.3. Máquina síncrona

3

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO: • La máquina síncrona se basa en los mismos principios de inducción

electromagnética que la máquina asíncrona. En este caso, la velocidad de la máquina esta determinada por frecuencia de la red:

𝑛 =60𝑓𝑝

• Partes:

• Inductor: Se trata de un devanado alimentado por corriente continua que da lugar a los polos de la máquina. Inducido: Devanado compuesto porto por 3 fases por el que circulará la corriente alterna.

• Carcasa: Es la envolvente del motor, contiene estator, rotor, caja de bornes, eje y otras partes mecánicas.

• Eje: Es el elemento mecánico por el que entregaremos la energía del generador.


4

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO: • INDUCIDO:

• El inducido y el inductor pueden ocupar tanto el rotor como el estator de la máquina, dependiendo de la potencia de la misma.

• La ubicación del inducido en el rotor o en el estator depende de la potencia de la máquina debido a la dificultad de aislar las 3 fases cuando los voltajes inducidos son elevados.


5

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO: • INDUCIDO EN EL ROTOR:

• El rotor puede estar configurado en forma de polos salientes o de rotor cilindrico. La elección de uno u otro depende de la velocidad de rotación de la máquina y, por tanto, del motor primario.

• Velocidad alta (3000r.p.m): • Turbogeneradores movidos por turbinas de vapor (centrales térmicas) • Rotor cilíndrico de 2 polos.

• Velocidad media (1500r.p.m.): • Turbogeneradores movidos por turbinas de vapor (nucleares) • Rotor cilíndrico de 4 polos:

• Velocidad baja (<750r.p.m): • Turbinas en saltos de agua. • Rotor de polos salientes de entre 20 y 40 polos.


6

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO: • INDUCIDO EN EL ROTOR:

• El volumen de las máquinas es proporcional a la potencia que desarrollan: • Las máquinas de mayor velocidad se construyen con diámetros reducidos y

gran longitud axial, para reducir esfuerzos por fuerzas centrifugas. • Las máquinas de menor velocidad (generadores hidráulicos) tienen mayor

diámetro y pequeña longitud axial.

• Principio de funcionamiento:


– El giro del rotor induce una tensión alterna en el devanado situado en el estator.

– El valor eficaz de esta tensión es proporcional a la frecuencia al número de espiras y al flujo magnético.

– La forma de la onda depende de la forma del entrehierro:

• Principio de funcionamiento: – Funcionamiento en vacío:

• La curva E0=f(Ie) define la fuerza electromotriz producida en función de la corriente de excitación del inductor.

• La corriente de excitación (Ie) es la corriente continua que provoca la aparición del campo magnético (electroimán).

• Presenta un tramo lineal en el que el flujo magnético aumenta de forma lineal con la corriente de excitación y un tramo no lineal que se corresponde con la saturación magnética.


• Principio de funcionamiento: – Funcionamiento en carga:

• Cuando el generador se conecta a una carga, aparece una intensidad que circula por el inducido.

• Esta intensidad provoca una fmm que complementa a la del inductor y que debe ser estudiada:

– Debemos considerar los siguientes factores: » La fmm del inductor toma los valores máximos en los polos del inductor. » La fmm del inducido toma los valores máximos en el centro de las espiras. » La fem inducida toma los valores máximos cuando los polos coinciden con los

lados de las espiras (momento de máxima variación del flujo). » La intensidad estará en fase, atrasada o adelantada respecto de la fem

dependiendo de que la carga sea resistiva, inductiva o capacitiva. » La fmm del inducido (provocada por la intensidad, esta atrasada 90º respecto de

esta.



– Carga resistiva:


-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

1 51 101

151

201

251

301

351

401

451

501

551

601

651

701

751

801

851

901

951

1001

1051

1101

1151

1201

1251

1301

1351

1401

1451

1501

1551

1601

1651

1701

1751

1801

1851

1901

1951

2001

2051

2101

2151

f.m.m. inductor

F.e.m.

I(resistiva)

f.m.m. inducido resistiva

f.m.m. total resistiva


– Carga inductiva:


-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

1 51 101

151

201

251

301

351

401

451

501

551

601

651

701

751

801

851

901

951

1001

1051

1101

1151

1201

1251

1301

1351

1401

1451

1501

1551

1601

1651

1701

1751

1801

1851

1901

1951

2001

2051

2101

2151

f.m.m. inductor

F.e.m.

I(inductiva)

f.m.m. inducido inductiva

fmm total inductiva


– Carga capacitiva:


-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

1 53 105

157

209

261

313

365

417

469

521

573

625

677

729

781

833

885

937

989

1041

1093

1145

1197

1249

1301

1353

1405

1457

1509

1561

1613

1665

1717

1769

1821

1873

1925

1977

2029

2081

2133

2185

f.m.m. inductor

F.e.m.

I(capacitiva)

f.m.m. inducido capacitiva

fmm total capacitiva

• Principio de funcionamiento: – Funcionamiento en carga (RESUMEN):

• Cuando el generador se conecta a una carga, aparece una intensidad que circula por el inducido.

• Si la carga es resistiva la reacción de inducido está desplazada 90º respecto de la fmm del inductor.

• Si la carga es inductiva, la reacción de inducido tiene un efecto desmagnetizante. • Si la carga es capacitiva, tiene un efecto magnetizante.


• Circuito equivalente: Tema 4.3. Máquina síncrona

• Funcionamiento aislado: – Cuando el generador funciona de manera aislada (sin conectar a

red), el fdp de la carga resulta muy importante para determinar el comportamiento del generador.

– En general, podremos contar con dos puntos de regulación: • Regulador de tensión: al variar la intensidad de excitación, podremos

variar la tensión de salida. • Regulador de velocidad: al variar la velocidad del motor primario,

podremos controlar la frecuencia de la onda de salida.


• Funcionamiento aislado: – Si la velocidad se mantiene constante y no se

actúa sobre la excitación, un aumento de la carga: • Aumentará la intensidad del inducido. • Aumentará la caída de tensión en Zs. • La tensión de salida será menor.


En general, la tensión de salida debe mantenerse constante, para lo que será necesario modificar la tensión E0 según aumente la carga. Para ello es necesario modificar el flujo inductor que es proporcional a la intensidad de excitación.

• Funcionamiento aislado: –RESUMEN:

• La frecuencia de salida depende de la velocidad del motor primario.

• El fdp de la carga será el fdp del generador. • La tensión de salida depende de:

– La velocidad de giro. – La corriente de excitación – La corriente del inducido. – El fdp de la carga


• Funcionamiento en red:


• Funcionamiento en red: – Consideremos un generador funcionando de manera

que E0 es igual a V en: • Al conectarlos, no aparecerá ninguna corriente por el

inducido, ya que la diferencia de tensiones es nula. • Sin embargo, ¿qué sucederá si modificamos alguno de los

parámetros de regulación? – Corriente de excitación: Al modificar la corriente de excitación,

aumentamos el valor de E0. Sin embargo, al no haber modificado la velocidad de la máquina en ningún momento, E0 y V continúan en fase. Estos dos fenómenos provocan lo siguiente:

» Aparece una intensidad debido a que E0 y V ya no son iguales.

» La intensidad presenta un desfase de 90º respecto a V, provocada por la reactancia síncrona.

» Al estar V e I desfasadas 90º no existe potencia activa sino unicamente reactiva.

» La potencia reactiva puede ser inductiva o capacitiva en función de que la modificación de Ie sea hacia arriba o hacia abajo.


• Funcionamiento en red: – Potencia mecánica: Al modificar la potencia mecánica, se

producirá una aceleración del eje que provocará un desfase entre E0 y V. Al no haber modificado la corriente de excitación, el valor de E0 permanece constante. Estos dos fenómenos provocan lo siguiente:

» Aparece una intensidad debido a que E0 y V ya no son iguales.

» La intensidad presenta un desfase de 90º respecto a la diferencia E0-V.

» El desfase entre E0 e I (δ) se denomina ángulo de potencia y afecta directamente a la potencia cedida o absorbida a la red.

» La potencia reactiva puede ser inductiva o capacitiva en función de que la modificación de la potencia mecánica sea hacia arriba o hacia abajo.


• Funcionamiento en red: – En la realidad, podremos ajustar conjuntamente

los dos puntos de regulación pudiendo obtener el punto de funcionamiento deseado:

– En resumen: • La potencia de salida permanece constante salvo que

modifiquemos la potencia de entrada. • La máquina absorberá (motor) o entregará (generador)

potencia, en función del desfase positivo o negativo de E0 y V.

• La corriente de excitación permite regular el factor de potencia, ya que afecta directamente al angulo φ.


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