mquina

1. 1
Estator
Rotor
Rotor
Estator

2. Máquina Sincrónica.
Presa del Atazar, Madrid
Ing. R. Paolillo – Agosto 2014
2

3. Generador Sincrónico.
Central Hidroeléctrica.
Transporte
de Energía
3
Subestación de
Transformación
Distribución y Consumo

4. Generador Sincrónico.
Central Hidroeléctrica.
4

5. Generador Sincrónico.
Central Hidroeléctrica.
5

6. Generador Sincrónico.
Central Térmica de Vapor.
6

7. Generador Sincrónico.
Central Térmica de Ciclo Combinado.
7

8. Generador Sincrónico.
Central Térmica Diesel.
8

9. Generador Sincrónico.
Grupos Electrógenos Diesel.
9

10. Generador Sincrónico.
Ferrocarriles.
Locomotoras Diesel-Eléctricas (conocidas como Diesel):
Motores diesel mueven alternadores conectados a
rectificadores de estado sólido que alimentan motores
eléctricos conectados a los ejes. Los sistemas de control y
las funciones de regulación eléctrica se convirtieron en
electrónicos. Microprocesadores controlan el rendimiento
de todos los sistemas, la velocidad del motor, la inyección
de gas oil y el trabajo del alternador y se interrelacionan
con sistemas para detectar problemas de tracción en las
ruedas motrices produciendo una rápida corrección y
óptima adherencia. Una mejora importante fue el uso de
10
motores trifásicos de U y f variables en lugar de los
motores serie de CC, reduciendo costo, mantenimiento,
peso y mejorando la adherencia de las ruedas en la vía.
Locomotoras Turbina-Eléctricas: turbinas de gas o vapor
impulsaban generadores que alimentaban motores eléctricos.
Año:2012

11. Generador Sincrónico.
Central Térmica Nuclear.
1
1

12. Generador Sincrónico.
Central Eólica.
1
2

13. Generador Sincrónico.
Central Térmica Solar.
1
3

14. Generador Sincrónico.
Central Térmica Solar.
1
4

15. Generador Sincrónico.
Central Geotérmica.
15

16. Generación Mareomotriz y Undimotriz.
16

17. Energía Undimotriz – Investigación UTN FRBA.
17

18. Energía Undimotriz – Investigación UTN FRBA.
El Proyecto de Aprovechamiento de la Energía Undimotriz
fue distinguido en la categoría "Producto Innovador"
durante la entrega de los premios INNOVAR 2010.
(Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación
Productiva de la Nación).
18

19. Inducido o armadura en el estator: Inducido o armadura en el rotor:
Rotor de Polos salientes
Generador Sincrónico.
Tipos Constructivos.
19
Inducido o armadura en el estator:
para medianas y altas potencias y
siempre que se genere en alta tensión.
Inducido o armadura en el rotor:
usada en pequeñas potencias,
cuando se reduce el espacio para
fijar los polos en el eje.
Rotor de Polos lisos
Los alternadores de gran potencia
accionados por turbinas de gas o vapor
tienen eje horizontal, 2 o 4 polos y un
diámetro generalmente menor que la
longitud axial del núcleo. Por razones
de equilibrio dinámico se reemplaza la
rueda polar por un cilindro ranurado.
Excitatriz: se denomina así a la
máquina o equipo que alimenta
el devanado de excitación.
Constructivamente existen de
muy variados tipos dependiendo
también del parámetro que se
quiera controlar (U salida de un
generador o cos φ para un
motor).

20. Generador Sincrónico.
Tipos Constructivos.
20

21. En vacío
Fp
Generador
fem
Generador Sincrónico.
Reacción de Armadura.
Motor
fem
Igual situación
magnética
habrá en un
motor cuando
tenga una Iexc :
X
ɸA
ɸR
ɸ
21
En carga
Fp
En vacío
Carga R: Distorsiona.
Carga L: Desmagnetiza.
Carga C: Magnetiza.
Normal
Subexcitado
Sobreexcitado
X
X
X
I E
ɸA
ɸR
ɸ
I
E
ψ
ɸA
ɸR
ɸ
I
E
ψ

22. Generador Sincrónico.
Diagrama Fasorial.
∆U = Ia (Ra + j Xa)
Ep = U + Ia (Ra + j (Xa + Xra))
FR = FP + FA
22
Siendo Xa + Xra = Xs Reactancia Sincrónica.
Ep = U + Ia (Ra + j (Xa + Xra))

23. Generador Sincrónico.
Características de Funcionamiento.
23

24. Generador Sincrónico.
Características de Funcionamiento.
VACIO EXTERNA Actúan la caída
interna y la reacción
de armadura.
Si la carga es IND.,
la caída crece al
bajar el cos φ.
Cuando U=0 todas
las curvas se cortan
en Ik (Cte Cto Cto
Trifásico).
24
CARGA
REGULACIÓN
Es la caída de tensión
en carga nominal con
cos φ = 0,8, siendo E0
fem en vacío para iexcn
r ̳ E0 – Un 100 (%)
Un

25. Generador Sincrónico.
Características de Funcionamiento.
Alternador alimentando una línea a U = cte para distintos tipos de carga (simplificado):
25
Para el caso inductivo, por ejemplo, resulta:

26. Generador Sincrónico.
Impedancia de Sincronismo.
Se hace girar al rotor a ns => f=cte para los
dos ensayos y luego se varía iexc
Si hay neutro se mide entre fase y neutro.
E0 =U / √3
Característica
de Vacio.
26
Midiendo la R de inducido => Xs = √Zs2 – Ri
2 Con este valor se puede hallar la regulación.
Se halla la curva de Zs según Zs = E0 / Iacc que por efecto de la saturación y la reacción de inducido
variará con iexc y con el factor de potencia.
Este es un método aproximado y suele usarse el valor de Zs que resulta de E0=Un => Zs = AB/AC.
Con iexc reducida se halla la corriente de excitación
de cortocircuito Iacc y luego extrapolar ya que es
una recta.
Característica
de Cortocircuito.

27. Generador Sincrónico.
Paralelo de Alternadores.
a) Condiciones de acoplamiento en vacio.
Consideraremos dos pasos:
a) Condiciones necesarias para conectar dos alternadores en paralelo.
b) Condiciones necesarias para distribuir la carga.
Si Ea = Eb y fa ≠ fb las
lámparas tienen un
“latido” (f de batido).
La condición de paralelo
se da cuando se apagan
27
Siendo:
ea = Ea sen (Wat + Ɵa)
eb = Eb sen (Wbt + Ɵb)
Debe cumplirse constantemente:
Ea = Eb tensiones iguales
Wa = Wb frecuencias iguales
Ɵa = Ɵb fases relativas iguales
se da cuando se apagan
También debe verificarse la igualdad de secuencias:
si son distintas las lámparas se encienden cíclicamente
(una apagada y dos encendidas).
Diagrama del
alternador en vacío.
ɸ
U = Ep
δ = 0

28. Generador Sincrónico.
Paralelo de Alternadores.
FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE DOS ALTERNADORES
IGUALES ALIMENTANDO BARRAS CON CARGA INDUCTIVA.
IT = I1 + I2 = I’1 + I’2
AB y CD = corrientes de circulación entre
alternadores debido a diferentes Ep.
28
δ1’ < δ1
E’p1 = Ep1
δ2’ > δ2
E’p2 = Ep2
Se parte de I1 = I2 ; iexc1 = iexc2 ; Ep1 = Ep2 ; φ1 = φ2 ; δ1 = δ2
Manteniendo U = cte., hacemos i’exc1 > iexc1 e i’exc2 < iexc2
Resulta que E’p1 > Ep1 y E’p2 < Ep2
Manteniendo U = cte. Y cos φ = cte.
reducimos el agente energético del
alternador 1 siendo iexc = cte.
D
AB = DB – DA
(Diferencia entre la
variación reactiva
de I1 e I2)

29. Generador Sincrónico.
Paralelo de Alternadores.
FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE UN ALTERNADOR
Y UNA FUENTE DE POTENCIA INFINITA.
29
Radio = Ep
Variación de iexc a partir del paralelo en vacío. Variación del flujo del agente energético
en la alimentación del motor de impulso.
La variación de iexc cambia la distribución de
la componente reactiva.
La variación del
combustible del
motor de impulso
cambia la
distribución de la
componente activa.
Aumento de iexc. Disminución de iexc.

30. Motor Sincrónico.
Principio de Funcionamiento y Diagrama Fasorial.
O en general:
U = - Ep + I Zs Fig. 2 (Para R≠0)
Con lo que se da a Ep el sentido de fem.
Si U=Ep y δ=0 => Paralelo en vacío.
Si ahora δ cambia de sentido
⇒ Ep retrasa respecto de U
⇒ La rueda polar es arrastrada por
el campo rotante de la armadura.
U = - Ep + I Xs Fig. 1 (Para R=0)
30
Fig. 2
La velocidad del motor queda fijada
por el Nº de polos de la máquina e
independiente de la carga.
Fig. 1

31. Motor Sincrónico.
Balance de Potencias.
Potencia Nominal dada en [kVA o MVA]
Como ɳ ̳ 1 – Σ p
p + Σ p
resulta para cos φ = 0,8
P = 0,5 a 3 MW => ɳ = 92 a 95 %.
P = 3,5 a 300 MW => ɳ = 95 a 98 %.
Potencia entregada
en el eje
(pfe + pj) Rotor
ph + pf + pj
Fricción + Ventilación
pF + pv
Potencia campo rotante
m.Ia
2.Ra
Potencia salida
en estator
GENERADOR
pfe Estator
ph + pf
31
MOTOR
P campo giratorio = Ps = m.E.I.cos ψ en [Watts]
C = 0,975 m Ps / ns
C en [Kgm]
Ps en [Watts]
ns en [rpm]
P = 3,5 a 300 MW => ɳ = 95 a 98 %.
Potencia entrada
estator
(pfe + pj) Rotor
ph + pf + pj
Fricción + Ventilación
pF + pv
Potencia campo rotante
m.Ia
2.Ra
Potencia salida
en el eje
pfe Estator
ph + pf
Potencia Nominal dada
en [kW o HP o CV]

32. Motor Sincrónico.
Potencia y Par Motor.
Para el caso general de la máquina de polos salientes y despreciando las caídas óhmicas:
Ia cos φ = Id sen δ + Iq cos δ
Si m.Ia
2.Ra = 0 (2 - 3 % de Pmáquina)
Tenemos Ps = m.U.Ia.cos φ
32
Del gráfico resulta:
Iq Xq = U.sen δ => Iq = U.sen δ
Xq
U.cos δ = Ep – Id.Xd => Id = Ep - U.cos δ
Xd
Reemplazando en (1) a Id e Iq obtenemos:
Ps = m.Ep .U sen δ - m.U2 cos δ sen δ + m.U2 sen δ cos δ
Xd Xd Xq
Ps = m.U.(Id sen δ + Iq cos δ) (1)

33. Motor Sincrónico.
Potencia y Par Motor.
Ps = m.Ep.U sen δ
Xd
MÁQUINA DE POLOS
LISOS (Xd = Xq)
En definitiva nos queda:
MÁQUINA DE POLOS
SALIENTES
Ps = m.Ep .U sen δ + m.U2 Xd - Xq sen 2δ
Xd 2 Xd . Xq
33
Como C depende directamente de Ps,
tiene idéntica variación.

34. Motor Sincrónico.
Potencia y Par Motor - Conclusiones.
Alcanza su Pmax para δ < π/2.
Límite de estabilidad se alcanza antes de que
la rueda polar quede en cuadratura atrasada
con el campo rotante del estator.
Máquina de Polos Salientes
En funcionamiento normal Ep U => Ps ≈ U2.
Como C ≈ Ps le son aplicables todas las
conclusiones mecánicas.
=
~
34
Alcanza Pmax para a δ = π/2.
Zona de funcionamiento estable entre δ=0 y δ=π/2.
(A cada aumento de P corresponde un aumento de o de δ.
Cuando se sobrepasa el límite pierde el sincronismo.
con el campo rotante del estator.
A estatores iguales tiene mayor potencia.
Puede desarrollar cierta potencia sin excitación,
es decir Ep=0 produciéndose la máxima con δ=45º.
Máquina de Polos Lisos
Motores de Reluctancia: pequeños motores que
funcionan sin la fuente de corriente continua, solo
basta un rotor con expansiones polares.
La anisotropía del entrehierro crea direcciones de
distinta reluctancia por lo que aparece Xd > Xq.
Tiene poca potencia para su volumen y consume
una corriente muy reactiva.

35. Compensación del cos φ
Motor Sincrónico.
Compensador Sincrónico y Curvas V.
Compensador Sincrónico:
si funciona sin carga
mecánica en el eje, al solo
efecto de mejorar el cos φ.
Reacción de Armadura: si U=cte. y la
carga en el eje es cte., al aumentar la iexc
aumenta Ep y la Ia se adelanta a U => la
línea ve al motor como una carga
capacitiva (sobreexcitado) y viceversa
más inductiva cuanto menor es iexc
(subexcitado).
iexc
Compensación del cos φ
con el motor en carga.
35
iexcn: es la que
produce cos φ=1
con carga nominal
en el eje.
Para cada carga existe una
iexc que hace mínima a Ia
produciendo las mínimas
pérdidas en el cobre (óptimo).

36. Motor Sincrónico.
Métodos de Arranque.
1) Mediante Jaula de Ardilla provista al rotor:
Se aplica U al estator con iexc = 0 => arranca como motor asincrónico. Al llegar
prácticamente a ns se alimenta el campo y el rotor se engancha con el campo
rotante del estator. El rotor queda girando a ns por lo que la jaula ya no
interviene en el movimiento.
Durante el arranque se inducen en el bobinado del rotor grandes tensiones por
lo que se debe cortocircuitar mediante una resistencia para no dañar la aislación.
36
lo que se debe cortocircuitar mediante una resistencia para no dañar la aislación.
El cortocircuito directo no es adecuado ya que circularían altas corrientes que
generarían una cupla frenante tal que dificultaría el arranque.
2) Mediante Motor Auxiliar de Impulso:
Se utiliza solo para grandes máquinas. Consiste en llevar al rotor a ns con un
motor auxiliar de impulso, funcionando como alternador en vacío. Luego de
desconectar la alimentación del motor auxiliar queda funcionando como motor.
Con este método se consiguen bajas corrientes de inducido en el momento de la
conexión.

37. Motor Sincrónico.
Aplicaciones.
De lo visto precedentemente se concluye que este motor se utiliza
donde se necesita:
a) Velocidad absolutamente constante.
(independiente de la carga).
37
b) Servicio sin arranques frecuentes.
(ininterrumpido).
c) Posibilidad de mejorar el factor de potencia.
Regulando a cos φ = 1.

38. 1) FRAILE MORA, J. (2008). Máquinas Eléctricas. Madrid: Mc Graw-Hill.
2) FITZGERALD, A. E; KINSGLEY, C.; UMANS, S. (2004). Máquinas Eléctricas.
Madrid: McGraw-Hill.
3) SOBREVILA, M. (2000). Máquinas Eléctricas – Nivel Inicial. Buenos Aires: Alsina.
4) KOSTENKO, M. P.; PIOTROVSKI, L. M. (1976). Máquinas Eléctricas -Tomo II.
Motor Asincrónico Trifásico.
Bibliografía.
4) KOSTENKO, M. P.; PIOTROVSKI, L. M. (1976). Máquinas Eléctricas -Tomo II.
Moscú: MIR.
5) Figuras varias de Internet.
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