Este documento describe el funcionamiento de las máquinas síncronas. Explica que tienen un estator con devanado trifásico y un rotor alimentado con corriente continua que crea un campo magnético giratorio. Se induce tensión en el estator por la interacción entre el campo giratorio del rotor y el estator. Funcionan a velocidad síncrona y se usan comúnmente como generadores en centrales eléctricas y como motores para corregir factor de potencia.

1. Máquinas Sincrónicas

2. Generalidades
Principio de
funcionamiento
- Rotor con corriente
continua: induce campo
magnético rotatorio de
magnitud proporcional
a la corriente de campo.
- Se induce tensión en
los enrollados del
estator: flujo variable.

3. La máquina síncrona:
generalidades I
La máquina síncrona utiliza un
estator constituido por un
devanado trifásico distribuido
a 120º idéntico a la máquina
asíncrona
El rotor está formado
por un devanado
alimentado desde el
exterior a través de
escobillas y anillos
rosantes mediante
corriente continua
El rotor puede ser liso o de polos
salientes
Industrialmente es el generador utilizado en la mayoría de las
centrales eléctricas: turboalternadores y grandes alternadores
hidráulicos
Como motor se usa principalmente cuando se requiere corregir
factor de potencia, o bien en aplicaciones de velocidad
estrictamente constante

4. La máquina síncrona:
generalidades II
N
S
Líneas de
campo
Elevadas velocidades de
giro: turboalternadores
N
N
N
S
S
Sentido de las
corrientes por
el rotor
Velocidades de giro
bajas
Rotor de
polos
salientes
Rotor
liso

5. Generalidades
Característica de tensión
Tensión inducida en bornes
es función de la velocidad y
amplitud del campo
magnético rotatorio.
La curva satura a medida
que se satura el núcleo. En
zona lineal:
Efn = G w If.

6. Generalidades
Observaciones:
- La frecuencia de las corrientes y tensiones siempre
corresponde a la sincrónica:
welec = wmec * (n°polos/2)
- Si la máquina sincrónica está conectada a la red (barra
infinita), su velocidad queda fija según la frecuencia de
la red.
- La máquina sincrónica solo presenta torque no nulo a
velocidad síncrona.
- Para efectos del modelo, despreciamos la resistencia
de estator y usamos solo la reactancia sincrónica.

7. Máquinas de polos salientes
- Físicamente los polos (N-S) sobresalen.
- Inductancia mutua rotor – estator no es
constante.
- Más complejidad al modelar
inductancias.
En general se usan máquinas de polos salientes con varios
polos (por ejemplo 36), en generadores hidráulicos. Operan a
baja velocidad y poseen rotores de gran diámetro.

8. Máquinas de polos salientes

9. Máquinas de rotor cilíndrico
- Rotor liso.
- Inductancia mutua rotor – estator es
constante.
- La simetría del rotor facilita la
modelación de la máquina.
- Estudiaremos modelo de la máquina de
rotor cilíndrico
En general se usan máquinas de rotor cilíndrico, con pocos
polos (2, 4 o 6), en generadores térmicos operando a alta
velocidad. A esta velocidad las pérdidas por roce se reducen
en un rotor liso. Poseen rotores alargados y de poco
diámetro.

10. Máquinas de rotor cilíndrico

11. Modelo del generador síncrono
   
S
S
S
X
δ
Ecos
V
j
X
δ
Esin
I
jX
0
V
δ
E
I












   
S
2
S
gen
gen
X
V
δ
cos
E
V
j
X
δ
sin
E
V
S
*
I
V
S









¡Recordar que estamos usando el modelo en p.u., con tensiones entre
fases y potencia trifásica! Luego, la corriente calculada es corriente de
línea (multiplicando por la corriente base) y la potencia aparente es
trifásica (multiplicando por la base respectiva).

12. Modelo del generador síncrono
Generador “Sobre-excitado”
 < 0, d > 0
I en atraso
Generador inductivo
Factor de potencia en atraso
Qgen > 0
Generador “Sub-excitado”
 > 0, d > 0
I en adelanto
Generador capacitivo
Factor de potencia en adelanto
Qgen < 0

13. Modelo del motor síncrono
   
S
S
S
X
V
δ
Ecos
j
X
δ
Esin
I
jX
δ
E
0
V
I













   
S
2
S
con
con
X
δ
cos
E
V
-
V
j
X
δ
sin
E
V
S
*
I
V
S










14. Modelo del motor síncrono
Motor “Sobre-excitado”
 > 0, d < 0
I en adelanto
Motor capacitivo
Factor de potencia en adelanto
Qcon < 0
Motor “Sub-excitado”
 < 0, d < 0
I en atraso
Motor inductivo
Factor de potencia en atraso
Qcon > 0

15. Motores síncronos
Catálogos comerciales

16. Generadores
síncronos I
 L. Serrano: Fundamentos de
máquinas eléctricas rotativas
 L. Serrano: Fundamentos de
máquinas eléctricas rotativas
 L. Serrano:
Fundamentos de
máquinas eléctricas
rotativas

17. Generadores síncronos II
 L. Serrano: Fundamentos de
máquinas eléctricas rotativas
 Mulukutla S. Sarma: Electric
machines

18. Corte transversal de
una central hidráulica
Rotor
 Mulukutla S. Sarma: Electric
machines

19. ESTATOR= Devanado trifásico
distribuido alimentado con un
sistema trifásico de tensiones
ROTOR= Devanado alimentado
con corriente continua que crea
un campo magnético fijo
CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO
INTERACCIÓN ROTOR - ESTATOR
PAR MOTOR Y GIRO DE LA MÁQUINA
Principio de funcionamiento:
motor
EL ROTOR GIRA A LA
MISMA VELOCIDAD QUE
EL CAMPO: VELOCIDAD
DE SINCRONISMO
P
f
NS


60
Controlando la excitación
(tensión de alimentación
del rotor) se consigue que
la máquina trabaje con
cualquier factor de
potencia: PUEDE
ABSORBER O CEDER Q

20. ESTATOR= Devanado trifásico
distribuido conectado a la carga
o red que se desea alimentar
ROTOR= Devanado alimentado
con corriente continua que crea
un campo magnético fijo. Se
hace girar por un medio externo
TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA
MECÁNICA EN ENERGÍA ELÉCTRICA
Principio de funcionamiento:
generador
Para conectar el generador a
una red es necesario que gire
a la velocidad de sincronismo
correspondiente a la
frecuencia de dicha red
Controlando la excitación
(tensión de alimentación del
rotor) se consigue que la
máquina trabaje con
cualquier factor de potencia:
PUEDE ABSORBER O CEDER Q
El campo creado por el rotor,
al girar, induce FEM en el
estator y, por tanto, hace
circular corriente por la carga
60
N
P
f 
P=PARES DE POLOS
N=VELOCIDAD DE
GIRO

21. Circuito equivalente (por
fase) de la máquina síncrona
La FEM E es proporcional a la corriente de excitación del rotor. En fun-
cionamiento como generador representa a la tensión que se induce en
el estator y en funcionamiento como motor a la fuerza contraelectro-
motriz que es necesario “vencer” para que circule la corriente que
alimenta al motor
jXs Rs
A
B
E
IM
+
V
Funcionamiento
como motor
jXs Rs
A
B
E
IG
+
V
Funcionamiento
como generador
Reactancia síncrona= reactancia dispersión
estator+efecto de reacción de inducido
Reactancia
síncrona
Resistencia
estator

22. El generador síncrono en vacío
Reactancia
síncrona
jXs Rs
A
B
E
IG
+
V
Funcionamiento
como generador
Resistencia
estator
500 1000 1500 2000
5
10
15
20
kV
Iexc
(A)
18kV
390MVA
3000RPM
Tensión en vacío V
Cuando el generador trabaja en vacío
no hay caída de tensión: la tensión
de salida coincide con la FEM E
N
K
E 



VELOCIDAD
DE GIRO
FLUJO
(por polo)
PROPORCIONAL A IEXC

23. El generador síncrono en carga:
reacción de inducido I
Cuando el alternador trabaja en vacío el único flujo existente
es el producido por la corriente continua de excitación del rotor
El flujo total de la máquina
se verá disminuido o
aumentado dependiendo
que la carga sea inductiva
o capacitiva
Cuando suministra corriente a
una carga, dicha corriente
produce un campo magnético
giratorio al circular por los
devanados del estator.
Este campo produce un par
opuesto al de giro de la
máquina, que es necesario
contrarrestar mediante la
aportación exterior de potencia
mecánica.
A este efecto creado por el
campo del estator se le
conoce con el nombre de
“reacción de inducido”

24. jXs Rs
A
B
E
IG
+
V
Funcionamiento
como generador
Carga
El generador síncrono en carga II
U
U
U
I
I
I
RI
RI
RI
jXs
I
jXs
I
jXs
I
E
E
E
Carga resistiva
Carga Inductiva
Carga capacitiva
PARA UNA MISMA TENSIÓN DE SALIDA EL
GENERADOR PUEDE CEDER O ABSORBER
POTENCIA REACTIVA DEPENDIENDO DE
QUE LA CARGA SEA INDUCTIVA O
CAPACITIVA
Para conseguirlo basta modificar el valor
de la E (modificando la corriente de
campo)

25. El generador síncrono en carga:
funcionamiento aislado
EL GENERADOR ALIMENTA
A UNA CARGA DE FORMA
INDEPENDIENTE
FUNCIONAMIENTO
AISLADO
La tensión de
alimentación
puede variar
El factor de
potencia de la
carga es fijo
Aumento en
la excitación
Aumento en
la tensión de
salida
Aumento en
potencia
mecánica
Aumento en
la velocidad
de giro
Aumento en
la frecuencia

26. El generador síncrono en carga:
conexión a red de P. infinita
EL GENERADOR ESTÁ CONECTADO
A OTRA RED EN LA QUE ACTÚAN
OTROS GENERADORES: SU
POTENCIA ES MUY PEQUEÑA
RESPECTO DE LA TOTAL DE LA RED
CONEXIÓN A RED
DE POTENCIA
INFINITA
La tensión de
alimentación
ESTÁ FIJADA
POR LA RED
La frecuencia
ESTÁ FIJADA
POR LA RED
Aumento en
la excitación
Aumento en
la POTENCIA
REACTIVA
ENTREGADA
Aumento en
potencia
mecánica
Aumento de
la POTENCIA
ACTIVA
ENTREGADA

27. i
U
1
2
3
RI
jXI


E
SOBREXCITACIÓN
SUBEXCITACIÓN
LA TENSIÓN U
ESTÁ FIJADA
POR LA RED
NORMAL
i
U RI
jXI
3

E
GENERADOR SUBEXCITADO
i RI
jXI
2

E

U
GENERADOR
SOBREXCITADO
AUMENTO CORRIENTE
AUMENTO DEL ÁNGULO 
AUMENTO DE LA
POTENCIA REACTIVA
SUMINISTRADA
REDUCCIÓN DE LA
POTENCIA REACTIVA
SUMINISTRADA

28. Operación en 4 cuadrantes

29. Variación de la velocidad en los
motores síncronos
Motores gran
potencia
INVERSORES
CICLOCONVERTIDORES
Motores baja
potencia
UTILIZACIÓN
DE
EQUIPOS
ELECTRÓNICOS
El motor síncrono gira a la
velocidad de sincronismo
60*f/p
PARA VARIAR LA
VELOCIDAD ES
NECESARIO VARIAR
LA FRECUENCIA
DE ALIMENTACIÓN
APLICACIONES DE ELEVA-
DA POTENCIA (>1 MW):
GRANDES MÁQUINAS
(Soplantes, compresores,
etc.) Y PROPULSIÓN
ELÉCTRICA BUQUES

30. Diagrama de flujo de potencia de un generador
síncrono.

31. Conexión o acoplamiento de alternadores en paralelo
La aplicación de alternadores en paralelo es con la finalidad
suministrar mayor potencia cuando se requiere una mayor
demanda de carga en un sistema eléctrico. Para poder llevar
acabo el emparalelamiento de alternadores se debe de cumplir
con las siguientes condiciones:
1. - Los voltajes rms de línea de los alternadores en paralelo
deben de ser iguales.
2. - Los alternadores en paralelo deben de tener la misma
secuencia de fase.
3. - Los ángulos de fases de los alternadores deben de ser iguales.
4. - La frecuencia de los alternadores deben de ser iguales.

32. Alternador en paralelo con la red eléctrica

33. Procedimiento de acoplamiento.
1.- Se lleva la máquina A2 hasta una velocidad próxima a la de
sincronismo.
2.- Se excita la máquina A2 de forma que el voltímetro U2 indique
mismo valor que el voltímetro U1.
3.- Controlamos la velocidad de A2 para que la frecuencia f2 sea
aproximadamente igual a la frecuencia “ f1” de la red eléctrica .
4.- Se comprueba que las lámparas se enciendan y apaguen
simultáneamente. “Si se encienden y se apagan
alternadamente es preciso cambiar dos conexiones”.
5.- Se cierra el interruptor de acoplamiento cuando el apagado
de las lámparas dure unos 3 segundos.

34. CURVA DE CAPABILIDAD
La curva de capabilidad de un generador se
deriva de manera simplificada sin tomar en
cuenta el efecto de saturación y
despreciando la resistencia y capacitancia
en los devanados. Cuando la máquina
síncrona opera en sus valores nominales,
es decir; valores a los cuales los
devanados y el núcleo alcanzan la
temperatura de régimen de diseño, se
obtienen las fronteras de la región de
operación dentro de la cual la máquina no
sufre daño ni envejecimiento prematuro.

35. Curva de capabilidad del generador de polos lisos
Límite de corriente de campo
s
X
VE
r
d
s
X
V
b
a
2
0



Recordando:
 
V
E
X
V
Q
X
VE
P
s
s



d
d
cos
sen
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
)
(
)
(
)
(
r
b
y
a
x
X
VE
X
V
Q
P
S
Q
P
s
s















Entonces:
Rotor:
)
,
0
(
2
s
X
V

m

nom
MVA

 9
.
0
fp
m
Límite de
calentamiento de
cabezales o de
subexcitación
Q
6
.
0

Límite máximo de
la fuente de energía
mecánica
Límite mínimo de
la fuente de energía
mecánica
pu
1
Límite de corriente en el
estator
0
nom
nom I
V
S 3

Estator: Q

Q

P
nom
nom I
V
S 3

e
Límite práctico de
estabilidad
h
i
j

36. Curva de capabilidad del generador de polos salientes
Recordando:
C
B
A
S
j
sen
X
VE
j
sen
X
X
X
X
V
X
X
V
j
S
jQ
P
S
d
q
d
q
d
q
d













)
cos
(
))
2
cos(
)
2
(
)(
(
2
)
1
1
(
2
2
2
d
d
d
d
nom
nom I
V
S 3

Estator:
Rotor:
)
1
1
(
2
)
2
cos(
)
(
2
cos
)
2
sen(
)
1
1
(
2
sen
2
2
2
q
d
q
d
q
d
d
d
q
d
X
X
V
X
X
X
X
V
X
VE
Q
X
X
V
X
VE
P








d
d
d
d
A B C
)
sen(
)
cos(
1


d
q
q
X
I
V
X
I
tan

 
)
sen(
)
cos( 
d
d 

 d
X
I
V
E

























 
2
1
8
8
cos
2
1
B
C
B
C
m
d
Ángulo :
d
Voltaje interno:
Ángulo máximo
:
m
d

37. Curva de capabilidad del generador de polos salientes
Límite practico de
estabilidad (margen de
10%)
0
Límite de corriente
en el estator
Q

Q

P
A
pu
1
nom
nom I
V
S 3

)
cos
(sen
))
2
cos(
)
2
)(sen(
(
2
)
1
1
(
2
2
2
d
d
d
d
j
X
VE
C
j
X
X
X
X
V
B
X
X
V
j
A
C
B
A
S
d
q
d
q
d
q
d











B
d
2
Circulo de
reluctancia
Límite de corriente
de campo
d
C
m
nom
MVA
m
d
m
d
2 Límite teórico de
estabilidad
permanente
Límite práctico de
estabilidad
permanente
10
%

38. Condensador Síncrono
I

E

V

 
sen
d
X
I
d
I
jXd

Suponiendo: 0

a
R

cos
d
X
I
 d
I

E

I
jXd

Generador sobreexcitado:
Generador subexcitado:

sen
d
X
I

cos
d
X
I
Lugares
geométricos
de potencia
constante
para :
E, I
d
V

I
 d
cos
E
E

Generador con excitación
normal: d
X
jI