Máquinas síncronas

Eléctrico = polos x mecánico.

Principio de funcionamiento

• a) El rotor se alimenta con c.c. If que produce un flujo magnético ?f.
• b) El rotor se arrastra mediante una turbina a velocidad constante n1.
• c) El campo magnético giratorio induce una tensión en el devanado del estator.
• d) La frecuencia de la f.e.m. inducida es directamente proporcional a la velocidad. La relación frecuencia/velocidad es n1 = 60·f/p donde p es el número de pares de polos.
• e) Como f es constante (50 Hz), las posibles velocidades de giro son 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500 etc (en revoluciones por minuto).
• f) El valor eficaz de la tensión inducida en cada fase vale:
  Erms = (1/√2)·kw·f·Na·?f = 4.44·f·Na·?f·kw
  Donde kw = 0.85-0.95 es el factor de devanado (un parámetro constructivo constante para una máquina determinada).
• g) En vacío, la tensión inducida es igual a la tensión en bornes.
• h) Cuando se conecta una carga (trifásica) circula una corriente I por los devanados.
• i) Esta corriente produce una f.m.m. que modifica el flujo inductor por medio del flujo ?ar (flujo de reacción de inducido).
• j) El flujo de reacción de inducido tiene amplitud constante y gira en sincronismo con el flujo inductor. El flujo de reacción de inducido produce una f.e.m. Ea en el devanado del estator. Esta tensión se resta de forma fasorial de la producida por el flujo inductor. La tensión en bornes es: Vt = Ef – Ea

Circuito equivalente

La tensión en bornes es: Vt = Ef – I·jXa. Además, el devanado estatórico tiene una cierta resistencia (se suele despreciar) y una cierta reactancia de dispersión Xd que se suman a la reactancia anterior. La suma Xd + Xa se denomina reactancia síncrona Xs. La ecuación anterior permite representar la máquina por su circuito equivalente, que consiste en una fuente de tensión Ef y una reactancia Xs (reactancia síncrona) conectadas en serie. Su valor relativo es superior al 100%.

Características de funcionamiento de la máquina de rotor liso

La máquina síncrona está conectada a una red de tensión y frecuencia constante y funciona normalmente en régimen permanente. Si la máquina funciona alimentando una carga aislada, la tensión en bornas se mantiene constante regulando la intensidad de excitación. La velocidad de giro es constante, e igual a la velocidad de sincronismo que se corresponde con la frecuencia de la red y el número de polos de la máquina. Un aumento de la potencia mecánica de entrada supone un incremento de par. La red se representa por su equivalente Thévenin; una fuente de tensión y una reactancia equivalente. En caso de una red de potencia infinita la impedancia es nula, Xe = 0. La potencia activa es máxima para θ = 90º. El máximo par vale: Tmax = Pmax / θ.

Características de ángulo de carga

• a) Un incremento de la potencia implica un incremento en el ángulo de desfase entre tensión en bornes y f.e.m. inducida.
• b) La potencia es máxima para θ = 90º.
• c) Una potencia mayor que ésta saca a la máquina de sincronismo.
• d) Se producen entonces corrientes y esfuerzos mecánicos enormes.
• e) El ángulo d, se llama ángulo de carga y es igual al desfase entre la f.e.m. interna y la tensión en bornes.
• f) La potencia máxima determina el límite de estabilidad estático de la máquina.
• g) Para un funcionamiento seguro se requiere un margen de reserva del 15-20% de la potencia máxima.

Funcionamiento del sistema

• a) En la red hay varios cientos de generadores síncronos que funcionan en paralelo.
• b) Cada generador funciona a velocidad constante (en régimen permanente).
• c) Si aumenta el consumo deben aumentar las potencias de entrada a los generadores, y por tanto los distintos ángulos de carga θ.
• d) El ángulo de carga debe ser menor de 90 grados. La carga de cada máquina debe ser un 30-20% menor que la potencia máxima (θ = 90º).
• e) La potencia reactiva se regula variando la corriente de excitación.
• f) Cuando la f.e.m. interna es:
  – Mayor que la tensión en bornes, el generador produce reactiva.
  – Menor que la tensión en bornes, el generador consume reactiva.
• g) La maniobra de conexión a la red se denomina sincronización.

Regulación Potencia-frecuencia (regulación primaria)

• a) Si aumenta la potencia demandada el alternador tiende a frenarse.
• b) El sistema de control frecuencia-potencia detecta la disminución de la frecuencia y actúa sobre la válvula de entrada a la turbina para aumentar la potencia y alcanzar de nuevo un punto de equilibrio.
• c) La amplitud de la respuesta se denomina Estatismo del regulador y se mide en Hz/MW, y suele indicarse en valores p.u.
• d) Para volver a la frecuencia nominal es necesario que actúe la Regulación Secundaria.

Máquinas asíncronas

Se crea un campo magnético giratorio al alimentar el sistema eléctrico del estator. Si el rotor está bloqueado, w2=w1, si no la máquina se mueve a w. Dos tipos: Jaula de ardilla (más empleado, cada barra es una fase) y rotor de bobinado o de anillos rozantes. Puede funcionar como freno (M>0, w<0, p<0), motor (>,>,>) y generador (<,>,<). w no es una carga sino consecuencia de funcionamiento como generador. Si θw≠sincronismo, par negativo (inestable).

V e I

• a) El factor de potencia depende del valor de la corriente. No puede regular por separado potencia activa y reactiva.
• b) Necesita corriente magnetizante para crear el campo giratorio. Consume potencia reactiva.
• c) Robustez y elevada relación Potencia/Peso. Funcionamiento sencillo, bajo mantenimiento.
• d) Característica mecánica “dura”. Funcionamiento a velocidad casi constante.

Transformadores

Monofásico ideal (rendimiento 99%) y trifásico ideal (estrella-triángulo o al revés). Líneas: R=densidad*L/A. El flujo de potencia depende del desfase, que se puede reajustar para controlar el flujo. La diferencia de tensión afecta la potencia reactiva.

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