3.1 maquinas electricas

Maquinas eléctricas
Unidad III Maquinas Síncronas
3.1 Componentes de las máquinas sincrónicas.
Ing. Hugo Hernández Uscanga

Introducción
Las máquinas sincrónicas (o sincrónicas) son maquinas cuyo estator se encuentra
alimentado por corriente alterna, en tanto el rotor tiene alimentación corriente
continua ya sea a través de un enrollado de campo o bien mediante imanes
permanentes.
Los maquinas síncronas son un tipo de motor de corriente alterna. Su velocidad de
giro es constante y depende de la frecuencia de la tensión de la red eléctrica a la
que esté conectada y por el número de pares de polos del motor, siendo conocida
esa velocidad como "velocidad de sincronismo". Este tipo de motor contiene
electromagnetos en el estator del motor que crean un campo magnético que rota
en el tiempo a esta velocidad de sincronismo.
En términos prácticos, las máquinas sincrónicas tienen su mayor aplicación en
potencias elevadas, particularmente como generadores ya sea a bajas revoluciones
en centrales hidroeléctricas, o bien a altas revoluciones en turbinas de vapor o gas.

s
La expresión matemática que relaciona la velocidad de la máquina con
los parámetros mencionados es:

Partes de un generador síncrono:
A continuación se detalla las partes fundamentales que componen un
generador síncrono:
1. Estator.
2. Rotor.
3. Sistema de enfriamiento.
4. Excitatriz.
5. Conmutado

Estator
Parte fija de la máquina, montada envuelta del rotor de forma que el mismo
pueda girar en su interior, también constituido de un material
ferromagnético envuelto en un conjunto de enrollamientos distribuidos al
largo de su circunferencia. Los enrollamientos del estator son alimentados
por un sistema de tensiones alternadas trifásicas.
Esta máquina tiene la particularidad de poder operar ya sea como generador
o como motor

Rotor
Es la parte de la máquina que realiza el movimiento rotatorio, constituido de
un material ferromagnético envuelto en un enrollamiento llamado de
"enrollamiento de campo", que tiene como función producir un campo
magnético constante así como en el caso del generador de corriente
continua para interactuar con el campo producido por el enrollamiento del
estator.
La tensión aplicada en ese enrollamiento es continua y la intensidad de la
corriente soportada por ese enrollamiento es mucho más pequeño que el
enrollamiento del estator, además de eso el rotor puede contener dos o más
enrollamientos, siempre en número par y todos conectados en serie siendo
que cada enrollamiento será responsable por la producción de uno de los
polos del electroimán
El rotor de una máquina sincrónica puede estar conformado por:

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- Imanes permanentes
- Rotor de polos salientes
- Rotor cilíndrico
Los imanes permanentes representan la configuración más simple ya que
evita el uso de anillos rozantes para alimentar el rotor, sin embargo su
aplicación a altas potencias se encuentra limitada ya que las densidades de
flujo magnético de los imanes no es, por lo general, alta. Adicionalmente, los
imanes permanentes crean un campo magnético
fijo no controlable a diferencia de los rotores con
enrollados de excitación donde se puede controlar
la densidad de flujo magnético

s
Dentro de los rotores con enrollados de excitación se tienen los de tipo
cilíndrico y los de polos salientes

Sistema de enfriamiento.
1. Generadores enfriados por aire:
Estos generadores se dividen en dos tipos básicos: abiertos ventilados y
completamente cerrados enfriados por agua a aire.
Los generadores de tipo OV fueron los primeros construidos, el aire en este
tipo de generadores pasa sólo una vez por el sistema y con este una cantidad
considerable de materias extrañas que pueden acumularse en las bobinas,
interfiriendo la transferencia de calor y afectando adversamente al
aislamiento
Los generadores tipo TEWC, son un sistema de enfriamiento cerrado, donde
el aire re circula constantemente y se enfría pasando a través del tubo del
enfriador, dentro de los cuales se hace pasar agua de circulación. La suciedad
y materias extrañas no existen en el sistema, y puesto que se tiene agua de
enfriamiento disponible, la temperatura del aire puede mantenerse tan baja
como se desee.

s
2.Generadores enfriados por hidrógeno:
Los generadores de mayor capacidad, peso, tamaño y los más modernos,
usan hidrógeno para enfriamiento en vez de aire en circuito de enfriamiento
cerrado. El enfriamiento convencional con hidrógeno puede usarse en
generadores con capacidad nominal aproximada de 300 MVA.
3. Generadores enfriados por hidrógeno / agua:
Pueden lograrse diseños de generadores aun más compactos mediante el
uso de enfriamiento con agua directo al devanado de la armadura del
generador. Estos diseños emplean torones de cobre a través de los cuales
fluye agua desionizada. El agua de enfriamiento se suministra vía un circuito
cerrado.

Excitatriz.
La excitatriz de un generador eléctrico síncrono de corriente alterna sirve,
básicamente, para alimentar de corriente continua el rotor del generador, y
convertir éste en un electroimán. El proceso de alimentar de corriente
continua el rotor (que gira) supone resolver como generar la corriente
continua necesaria, y además, como introducirla en un elemento que está
girando.

s
El gran problema mecánico que tiene que resolver la excitatriz es el de
conectar los cables que alimentan las bobinas del rotor, en movimiento, con
elementos externos, que no giran. El problema puede resolverse
mecánicamente o eléctricamente, dando lugar a diferentes tipos de
excitatriz. Todas ellas deben tener idealmente la capacidad de regular la
tensión de alimentación del rotor, para variar el campo magnético de
acoplamiento
Existen tres tipos básicos de excitatriz:
Excitatriz estática, o de anillos rotativos .
Excitatriz de imanes permanentes Investigar
Excitatriz de diodos giratorios

Fuente conmutada
Una fuente conmutada es un dispositivo electrónico que transforma energía
eléctrica mediante transistores en conmutación. Mientras que un regulador
de tensión utiliza transistores polarizados en su región activa de
amplificación, las fuentes conmutadas utilizan los mismos conmutándolos
activamente a altas frecuencias (20-100 kilociclos típicamente) entre corte
(abiertos) y saturación (cerrados).

3.2 Principio operacional de las máquinas sincrónicas como generador y
como motor
Para entender el concepto básico de un motor síncrono
véase la figura, que muestra uno con dos polos. La
corriente de campo IF del motor produce un campo magnético
en estado estacionario BR. Se aplica un conjunto
de voltajes trifásicos al estator de la máquina, lo que produce
un flujo de corriente trifásica en los devanados.
Como se demostró en el capítulo 3, un conjunto de
corrientes trifásicas en el inducido de un devanado produce
un campo magnético giratorio uniforme BS. Por
lo tanto, hay dos campos magnéticos presentes en la
máquina y el campo del rotor tenderá a alinearse con
el campo del estator, igual que dos imanes tenderán a
alinearse si se colocan uno cerca del otro Debido a que
el campo magnético del estator gira

s
el campo magnético del rotor (y el rotor mismo) tratará constantemente de
alcanzarlo.
Mientras más grande sea el ángulo entre los dos campos magnéticos (hasta
un ángulo máximo), mayor será el par en el rotor de la máquina.
El principio básico de la operación de los motores síncronos es que el rotor
“persigue” al campo magnético giratorio del estator alrededor de un círculo
y nunca lo alcanza.
Debido a que un motor síncrono es igual físicamente a un generador
síncrono, todas las ecuaciones básicas de velocidad, potencia y par de los
capítulos 3 y 4 se utilizan también en el caso delos motores síncronos.

3.3 Fuerza electromotriz inducida y frecuencia.
La fuerza electromotriz o voltaje inducido (representado fem, FEM o )
es toda causa capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos
puntos de un circuito abierto o de producir una corriente eléctrica en
un circuito cerrado. Es una característica de cada generador eléctrico.
Con carácter general puede explicarse por la existencia de un campo
electrostático conservativo Ecs cuya circulación, define el voltaje
inducido del generador.

3.4 Circuito equivalente y diagramas fasoriales.
Circuito equivalente de un motor síncrono
Un motor síncrono es igual en todos los aspectos a un generador síncrono,
excepto en que la dirección del flujo de potencia es la opuesta. Debido a que
se invierte la dirección del flujo de potencia en la máquina, se puede esperar
que la dirección del flujo de corriente en el estator del motor también se
invierta. Por lo tanto, el circuito equivalente de un motor síncrono es
exactamente igual al circuito equivalente de un generador síncrono, excepto
en que la dirección de referencia de lA está invertida

s
Igual que como se especificó antes, las tres fases del circuito equivalente
pueden estar conectadas tanto en Y como en Δ. Debido al cambio en la
dirección de IA, cambia también la ecuación de la ley de voltaje de Kirchhoff
para el circuito equivalente.
Motores síncronos desde la perspectiva del campo magnético
Para comenzar a entender la operación de un motor síncrono, es preciso dar
otra mirada a un generador síncrono conectado a un bus infinito. El
generador tiene un motor primario que hace girar el eje y causa que éste
rote.

s
La dirección del par aplicado tap del motor primario sigue la dirección del
movimiento porque el motor primario hace que el generador gire.

s
El diagrama fasorial correspondiente a la operación como generador se
muestra en la figura, mientras que el que corresponde a la operación como
motor se puede ver en la figura.

3.6 Regulación de tensión con diferentes tipos de carga.
Un regulador de tensión o regulador de voltaje es un
dispositivo electrónico diseñado para mantener un nivel
de tensión constante.

• Los reguladores electrónicos de tensión se encuentran en dispositivos
como las fuentes de alimentación de los computadores, donde
estabilizan las tensiones de Corriente Continua usadas por el
procesador y otros elementos. En los alternadores de los automóviles
y en las plantas generadoras, los reguladores de tensión controlan la
salida de la planta. En un sistema de distribución de energía eléctrica,
los reguladores de tensión pueden instalarse en una subestación o
junto con las líneas de distribución de forma que todos los
consumidores reciban una tensión constante independientemente de
qué tanta potencia exista en la línea.

Reguladores integrados
• Hoy en día es más común encontrar en las fuentes de alimentación
reguladores integrados, normalmente son componentes muy
parecidos a los transistores de potencia, suelen tener tres terminales,
uno de entrada, un común o masa, y uno de salida, tienen una
capacidad de reducción del rizado muy alta y normalmente sólo hay
que conectarles un par de condensadores. Existen circuitos
reguladores con un gran abanico de tensiones y corrientes de
funcionamiento.

Reguladores conmutados
• Los reguladores conmutados solucionan los problemas de los
dispositivos anteriormente citados, poseen mayor rendimiento de
conversión, ya que los transistores funcionan en conmutación,
reduciendo así la potencia disipada en estos y el tamaño de los
disipadores. Se pueden encontrar este tipo de fuentes en los
ordenadores personales, en electrodomésticos, reproductores DVD,
etc, una desventaja es la producción de ruido electromagnético
producido por la conmutación a frecuencias elevadas, teniendo que
apantallar y diseñar correctamente la PCB (Placa de Circuito Impreso)
del convertidor.

Reguladores electromecánicos
• Los reguladores electromecánicos basan su principio de
funcionamiento en un auto transformador de columna, sobre la cual
se dispone un cursor accionado por un servomotor, que en su
recorrido suma o resta espiras. Este movimiento de auto ajuste es
controlado por un comando electrónico, que se activa cada vez que la
tensión de salida se desvía de su valor de calibración, ajustándose
automáticamente y con ello mantiene permanentemente la tensión
de salida estable, la respuesta es lenta a las variaciones rápidas de
tensión.

3.7 Operación en paralelo de los generadores sincrónicos
En el mundo actual es muy raro encontrar que un generador síncrono
suministre independientemente su propia carga.
Esta situación sólo se encuentra en algunas aplicaciones que salen de lo
normal, tales como los generadores de emergencia.
En todas las demás aplicaciones de generadores hay más de uno que opera
en paralelo para suministrar la potencia que requieren las cargas.
La situación en la red de potencia de Estados Unidos es un ejemplo extremo
de esta situación, en la que literalmente miles de generadores comparten la
carga del sistema
¿Por qué se utilizan los generadores síncronos en paralelo? Hay muchas
ventajas para ello
1. Varios generadores pueden alimentar una carga más grande que una sola
máquina.

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2. Tener varios generadores incrementa la confiabilidad del sistema de
potencia, debido a que la falla de cualquiera de ellos no causa la pérdida
total de potencia en la carga.
3. Tener varios generadores que operan en paralelo permite la remoción de
uno o más de ellos para cortes de potencia y mantenimientos preventivos.
4. Si se utiliza un solo generador y éste no opera cerca de plena carga,
entonces será relativamente ineficiente. Con varias máquinas más pequeñas
que trabajan en paralelo es posible operar sólo una fracción de ellas. Las que
operan lo hacen casi a plena carga y por lo tanto de manera más eficiente.

Condiciones requeridas para operar en paralelo
Si el interruptor se cierra de manera arbitraria en cualquier momento, es
posible que los generadores se dañen severamente y que la carga pierda
potencia. Si los voltajes no son exactamente iguales en cada uno de los
generadores que se conectarán juntos, habrá un flujo de corriente muy
grande cuando se cierre el interruptor. Para evitar este problema, cada una
de las tres fases debe tener exactamente la misma magnitud de voltaje y
ángulo de fase que el conductor al que se conectará.
*se deben cumplir las siguientes condiciones de puesta en paralelo
1. Los voltajes de línea rms de los dos generadores deben ser iguales.
2. Los dos generadores deben tener la misma secuencia de fase.
3. Los ángulos de fase de las dos fases a deben ser iguales.

s
4. La frecuencia del generador nuevo, llamado generador en aproximación,
debe ser un poco mayor que la frecuencia del sistema en operación.
Si las frecuencias de los generadores no son muy parecidas cuando se
conectan juntos, se presentarán grandes potencias transitorias hasta que se
estabilicen los generadores en una frecuencia común.
Las frecuencias de las dos máquinas deben ser casi iguales, pero no pueden
ser exactamente iguales.
Deben diferir por una pequeña cantidad para que los ángulos de fase de la
máquina en aproximación cambien en forma lenta con respecto a los
ángulos de fase del sistema en operación.
De esta manera se pueden observar los ángulos entre los voltajes y se puede
cerrar el interruptor S1 cuando los sistemas estén exactamente en fase.
* investigar el procedimiento para conectar los generadores síncronos en
paralelo

3.8 Métodos de arranque de los motores sincrónicos.
Arranque del motor por medio de la reducción de la frecuencia eléctrica
Si los campos magnéticos del estator en un motor síncrono giran a una
velocidad lo suficientemente baja, no habrá ningún problema para que el
rotor se acelere y se enlace con el campo magnético del estator.
Entonces se puede incrementar la velocidad de los campos magnéticos del
estator aumentando gradualmente fe hasta su valor normal de 50 o 60 Hz.
Este método de arranque de un motor síncrono tiene mucho sentido, pero
presenta un gran problema: ¿de dónde se obtiene la frecuencia eléctrica
variable? Los sistemas de potencia normales están regulados
cuidadosamente a 50 o 60 Hz, por lo que hasta hace poco cualquier fuente
de voltaje con frecuencia variable tenía que provenir de un generador
dedicado.
Esta situación obviamente es poco práctica, excepto en circunstancias muy
poco usuales.

S
Hoy en día las cosas han cambiado. Se pueden usar los controladores de
estado sólido para motores a fin de convertir una frecuencia de entrada
constante en cualquier frecuencia de salida deseada.
Con el desarrollo de estos accionadores de estado sólido tan modernos es
perfectamente posible controlar continuamente la frecuencia eléctrica
aplicada al motor desde una fracción de un hertz hasta por arriba de la
frecuencia nominal.
Si esta unidad de control de frecuencia variable se incluye en el circuito de
control del motor para lograr el control de la velocidad, entonces el arranque
de un motor síncrono es muy fácil: simplemente se ajusta la frecuencia a un
valor muy bajo para el arranque y luego se eleva hasta la frecuencia de
operación deseada para la operación normal. Cuando se opera un motor
síncrono a una velocidad menor a la velocidad nominal, su voltaje interno
generador EA 5 Kfv será menor que lo normal.

S
Si se reduce la magnitud de EA entonces el voltaje en los terminales aplicado
al motor se debe reducir también para mantener la corriente en el estator en
niveles seguros. El voltaje en cualquier accionador de frecuencia variable o
circuito de ataque de frecuencia variable debe variar casi linealmente con la
frecuencia aplicada
Arranque del motor con un motor primario externo
El segundo método de arranque de un motor síncrono es adjuntarle un
motor de arranque externo y llevar la máquina síncrona hasta su velocidad
plena con un motor externo. Entonces se puede conectar la máquina
síncrona en paralelo con el sistema de potencia como generador y se puede
desconectar el motor primario del eje de la máquina.

S
Una vez que se apaga el motor de arranque, el eje de la máquina pierde
velocidad, el campo magnético del rotor BR se retrasa con respecto a Bnet y
la máquina síncrona comienza a comportarse como motor. Una vez que se
completa la conexión en paralelo, el motor síncrono se puede cargar de
manera normal.
Para muchos de los motores síncronos de tamaño
mediano a grande, la utilización de un motor de
arranque externo o el arranque por medio del
excitador pueden ser la única solución posible,
ya que los sistemas de potencia a los que están
unidos probablemente no soportan las corrientes
de arranque.

Arranque del motor con devanados de amortiguamiento
Definitivamente la técnica de arranque de un motor síncrono más popular es
la utilización de devanados de amortiguamiento.
Los devanados de amortiguamiento son unas barras especiales dispuestas en
ranuras labradas en la cara del rotor de un motor síncrono y en cortocircuito
en cada extremo con un gran anillo en cortocircuito.
En la figura se puede ver la cara de un polo.
En una máquina real los devanados de campo
no están en circuito abierto durante el procedimiento
de arranque. Si los devanados de campo estuvieran en
circuito abierto, entonces se producirían voltajes
demasiado altos en ellos durante el arranque

s
Si los devanados de campo están en corto circuito durante el arranque, no
se producen voltajes peligrosos y la corriente de campo inducida contribuye
con un par de arranque extra para el motor.
En resumen, si una máquina tiene devanados de amortiguamiento, se puede
encender siguiendo el procedimiento que se describe a continuación:
1. Desconectar los devanados de campo de su fuente de potencia de cd y
que estén en cortocircuito.
2. Aplicar un voltaje trifásico al estator del motor y dejar que el rotor acelere
hasta llegar casi a velocidad síncrona. El motor no debe tener ninguna carga
en su eje para que su velocidad se pueda aproximar tanto como sea posible a
ɳsinc.
3. Conectar el circuito de campo de cd a su fuente de potencia. Una vez que
esto se lleva a cabo, el motor se fi ja a velocidad síncrona y se le pueden
añadir cargas a su eje.

3.1 maquinas electricas

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