circuito equivalente maquina síncrona

2. Determinar el circuito equivalente de una
máquina síncrona
MÁQUINAS ELÉCTRICAS 2

3. • Determinar el circuito equivalente de
una máquina síncrona
Propósito de la
sesión:

4. Generadores síncronos
Los generadores síncronos o alternadores son maquinas
sincronas que se utilizan para convertir potencia mecánica
en potencia eléctrica de ca.
Centrales eólicas
Centrales hidroeléctricas
Centrales mareomotrices
Central térmica
Central nuclear

5. CONSTRUCCIÓN DE GENERADORES SÍNCRONOS
En un generador síncrono se produce un campo magnético
en el rotor ya sea mediante el diseño de este como un imán
permanente o mediante la aplicación de una corriente de cd
a su devanado para crear un electroimán.
En seguida, el rotor del generador gira mediante un motor
primario, y produce un campo magnetico giratorio dentro de la
maquina.
Este campo magnético giratorio induce un conjunto de voltajes
trifásicos dentro de los devanados del estator

6. Dos términos que por lo general se utilizan para describir los
devanados de una maquina son devanados de campo y
devanados del inducido. En general, el primer termino se aplica
a los devanados que producen el campo magnético principal
en la maquina, mientras que el segundo se aplica a los
devanados donde se induce el voltaje principal

7. Los polos magnéticos del rotor pueden ser tanto salientes
como no salientes. El termino saliente significa proyectado
hacia “afuera” o “prominente” y un polo saliente es un polo
magnético proyectado hacia afuera del eje del rotor. Por otro
lado, un polo no saliente es un polo magnético construido al
mismo nivel de la superficie del rotor.
Por lo regular, los rotores de polos no salientes se utilizan para
rotores de dos o cuatro polos, mientras que los rotores de
polos salientes normalmente se usan para rotores con cuatro
o mas polos.
CLASIFICACIÓN SEGÚN LA FORMA DE ROTOR

8. Rotor de dos polos no salientes de una máquina síncrona.

9. Un rotor de polos salientes de una máquina síncrona.

10. Se debe suministrar una corriente de cd al circuito de campo del
rotor. Puesto que éste gira, se requiere de un arreglo especial
para que la potencia de cd llegue a los devanados de campo.
Existen dos formas comunes de suministrar esta potencia de cd:
1.Suministrar al rotor la potencia de cd desde una fuente externa de
cd por medio de anillos rozantes y escobillas.
2.Suministrar la potencia de cd desde una fuente de potencia de cd
especial montada directamente en el eje del generador sincrono.
EXCITACIÓN DEL INDUCTOR

11. Los anillos rozantes son anillos de metal que circundan por completo al
eje de una máquina, pero se encuentran aislados de él. Una “escobilla”
es un bloque de un compuesto de carbón parecido al grafito que
conduce electricidad libremente pero tiene una fricción muy baja, por lo
que no desgasta al anillo rozante.
ANILLOS ROZANTES

12. En los generadores y motores mas grandes se utilizan excitadores o
excitatrices sin escobillas para suministrar a la maquina corriente de
campo de cd.
Un excitador sin escobilla es un generador de ca pequeño con un
circuito de campo montado en el estator y un circuito de armadura
acoplado en el eje del rotor.
La salida trifásica del generador excitador se rectifica a corriente
directa por medio de un circuito rectificador trifásico (que también esta
montado en el eje del generador) y luego se alimenta al circuito de
campo de cd principal. Por medio del control de la pequeña corriente
de campo de cd del generador excitador (localizado en el estator)

14. Rotor de una máquina síncrona con un excitador sin escobillas
montado en el mismo eje.

15. Para que la excitación de un generador sea completamente
independiente de cualquier fuente de potencia externa, a
menudo se incluye un pequeño excitador piloto en el
sistema. Un excitador piloto es un pequeño generador de ca
con imanes permanentes montados en el eje del rotor y un
devanado trifásico en el estator
Excitación completamente independiente

16. EXCITACIÓN COMPLETAMENTE INDEPENDIENTE

17. El campo magnético del rotor apunta en la dirección en que gira
el rotor. Ahora, la tasa de rotación de los campos magnéticos en
la maquina esta relacionada con la frecuencia eléctrica del
estator por medio de la ecuación
LA VELOCIDAD DE ROTACIÓN DE UN GENERADOR SÍNCRONO

18. VOLTAJE INTERNO GENERADO POR UN GENERADOR SÍNCRONO
La magnitud del voltaje inducido en cierta fase de un estator
era
Nc Numero de vueltas en la bobina
donde K es una constante que representa la construcción de
la maquina

19. Curva de magnetización o característica de circuito abierto de la
maquina

20. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN GENERADOR SÍNCRONO
1.La distorsión del campo magnético del entrehierro debida a la corriente que
fluye en el estator, llamada reacción del inducido.
2. La auto inductancia de las bobinas del inducido (o armadura).
3. La resistencia de las bobinas del inducido.
4. El efecto de la forma del rotor de polos salientes.

21. Cuando el rotor de un generador síncrono gira, se induce un voltaje EA
en los devanados del estator del generador. Si se añade una carga a
las terminales del generador, la corriente fluye. Pero el flujo de
corriente de un estator trifásico produce su propio campo magnético en
la maquina. Este campo magnético del estator distorsiona el campo
magnético original del rotor y altera el voltaje de fase resultante. A este
efecto se le llama reacción del inducido porque la corriente del
inducido (estator) afecta el campo magnético que lo produjo en primera
instancia.
Primer efecto reacción del inducido

22. rotor bipolar
no tiene carga, no hay flujo de corriente

23. Carga con un factor de potencia en retraso
Corriente pico detrás del voltaje pico. La corriente del estator produce su propio campo magnético

27. 2DO PASO AUTO INDUCTANCIA DE LAS BOBINAS DEL INDUCIDO (O ARMADURA).

28. Circuito equivalente completo de un generador síncrono trifásico

29. Estas tres fases se pueden conectar en Y o en D

31. Normalmente, el hecho de que las tres fases de un
generador síncrono sean idénticas en todos aspectos menos
en el Angulo de fase lleva a utilizar de un circuito equivalente
por fase.
Se debe tener presente un factor importante cuando se
utiliza un circuito equivalente por fase: las tres fases tienen
los mismos voltajes y corrientes sólo cuando las cargas
conectadas a ellas están balanceadas.

32. La resistencia del circuito de campo interno y la resistencia
variable externa se combinan en un solo resistor RF.
CIRCUITO EQUIVALENTE POR FASE

33. DIAGRAMA FASORIAL DE UN GENERADOR SÍNCRONO
factor de potencia unitario (una carga puramente resistiva)

34. DIAGRAMA FASORIAL DE UN GENERADOR SÍNCRONO
Diagrama fasorial de un generador síncrono con un factor de potencia
en retraso

35. DIAGRAMA FASORIAL DE UN GENERADOR SÍNCRONO
Diagrama fasorial de un generador síncrono con un factor de potencia en adelanto

36. POTENCIA Y PAR EN LOS GENERADORES SÍNCRONOS
La fuente de la potencia mecánica, el motor primario, puede ser un
motor diésel, una turbina de vapor, una turbina hidráulica u otro
equipo similar.
Cualquiera que sea la fuente, debe tener la propiedad básica de
mantener su velocidad constante sin importar la demanda de
potencia.
Si esto no se cumple, entonces la frecuencia resultante del sistema
de potencia podría presentar fallas (variar).

37. POTENCIA Y PAR EN LOS GENERADORES SÍNCRONOS

38. La potencia eléctrica de salida real de un generador síncrono se
puede expresar en cantidades de linea a linea como
La potencia reactiva de salida se puede expresar en cantidades
de línea a línea

40. De la gráfica anterior obtenemos:
Reemplazando en :
Se obtiene la siguiente expresión:

41. El ángulo se conoce como el ángulo interno o
ángulo de par de la maquina.
cuando
La potencia máxima que indica esta ecuación se llama límite de
estabilidad estática del generador.
Por lo general, los generadores nunca llegan a estar demasiado
cerca de este limite. En las maquinas reales los ángulos mas
comunes del par a plena carga son de 20 a 30°.

42. El par inducido en este generador se puede expresar como
La magnitud de la ecuación se puede expresar como

44. MEDICIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL MODELO DE GENERADOR
SÍNCRONO
El circuito equivalente de un generador síncrono que se ha
obtenido consta de tres cantidades y estos describen un
generador síncrono real:
1.La relación entre la corriente de campo y el flujo
(entre la corriente de campo y EA)
2. La reactancia síncrona
3. La resistencia del inducido

45. El primer paso del proceso es la realización de la prueba de
circuito abierto en el generador.
Para realizar esta prueba, el generador se hace girar a velocidad
nominal, se desconectan las terminales de cualquier carga y se
establece la corriente de campo como cero. Entonces se
incrementa gradualmente por etapas la corriente de campo y se
mide el voltaje en las terminales en cada etapa.
PRUEBA DE CIRCUITO ABIERTO

46. CARACTERÍSTICA DE CIRCUITO ABIERTO OCC
La porción lineal de una OCC se llama línea de entrehierro de la curva característica.

47. PRUEBA DE CORTOCIRCUITO SCC.
Nótese que cuando las terminales están en cortocircuito, la
corriente en el inducido IA esta dada por
su magnitud esta dada por

48. es igual a cero, la impedancia interna de la máquina esta dada por

49. Por lo tanto, el método aproximado para determinar la reactancia síncrona
XS de una corriente de campo dada es:
Si se conocen EA e IA para cierta situación, entonces se puede encontrar la
reactancia síncrona XS.