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Libro de avance Ing. Anave...

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REDES TRIFÁSICAS Y SUS APLICACIONES

ELT – 2510 CIRCUITOS ELÉCTRICOS II GESTIÓN 2009

CAPÍTULO

I

BASES SOBRE GENERACIÓN ELÉCTRICA TRIFÁSICA

1.1. CONSIDERACIONES BÁSICAS.

La operación de los sistemas eléctricos de Gran, Mediana y Pequeña Potencia trifásicos requieren la conversión de grandes cantidades de energía primaria, en energía y potencia eléctrica trifásica utilizable, de esta operación se encargan las centrales eléctricas de generación sean estas tradicionales o no tradicionales ( Hidroeléctricas, Termoeléctricas y no Convencionales, en las cuales el generador o máquina sincrónica resulta la más importante para efectos de generación eléctrica trifásica); la energía eléctrica puede ser transportada y convertida en otras formas de energía en forma limpia y económica.

La máquina sincrónica trifásica, básicamente, es un convertidor electromecánico de energía con una pieza giratoria denominada rotor o campo, cuya bobina se excita mediante la inyección de una corriente continua y una pieza fija denominada estator o armadura por cuyas bobinas desfasadas 120 º geométricos, circulan corriente alterna. Las corrientes alternas que circulan por los arrollamientos del estator producen un campo magnético rotatorio que gira en el entrehierro de la máquina con la frecuencia angular de las corrientes de armadura. El rotor debe girar a la misma velocidad del campo magnético rotatorio producido en el estator para que el par eléctrico medio pueda ser diferente de cero, en caso contrario el par eléctrico medio es nulo; es por esta razón que a esta máquina se la denomina sincrónica, es decir, el rotor gira mecánicamente a la misma frecuencia que el campo magnético rotatorio producido en el estator, en la operación de régimen permanente. Ver la disposición trifásica en la figura 1.1, el estator, figura 1.2, el rotor de polos salientes y figura 1.3, estator, rotor de polos salientes y polos lisos, correspondientes a una máquina sincrónica o generador de corriente alterna o alternador.

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Fig. 1.1

Fig. 1.2

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ESTATOR DE UNA MÁQUINA SÍNCRONA

ROTOR DE POLOS SALIENTES DE UNA MÁQUINA SÍNCRONA

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Fig. 1.3 ESTATOR, ROTOR DE POLOS SALIENTES Y POLOS LISOS DE UNA MÁQUINA SÍNCRONA

Las máquinas síncronas son máquinas eléctricas cuya velocidad de rotación (r.p.m.) está vinculada rígidamente con la frecuencia ‘f’ de la red de corriente alterna con la cual trabaja, en función a la expresión siguiente:

n = 60 f / p

(1.1)

1.2. PRINCIPIO DE OPERACIÓN.

Consideremos el esquema simplificado de la máquina síncrona de polos salientes mostrado en la figura 1.4.. Al girar el rotor a la velocidad ‘n’, se inducen f.e.m.s. en los arrollamientos de las tres fases del estator, que van desfasadas en el tiempo de 120º, que corresponden a la separación espacial (en grados eléctricos) existentes entre las bobinas del estator.

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Fig. 1.4. ESQUEMA BÁSICO DE LA MÁQUINA SÍNCRONA

Ver desfases del devanado de la armadura en el estator, tanto entre principios, finales y principios y finales, respectivamente a continuación:

Si consideramos que las ‘n’ espiras de cada fase están concentradas, y que el flujo concatenado por las mismas varía entre los límites + ϕm y – ϕm, el valor medio de la f.e.m. inducida en cada fase, en el transcurso de medio periodo de la corriente alterna, será:

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E = 2 T 0 T / 2 e d t = 2 T 0 T / 2 e d t = 2 T 0 T / 2 ( -Nd d∅dt) dt

E = - 2T N + ∅m-∅md ∅= 4 f N ∅m

Voltios

(1.2)

Como quiera que el valor eficaz de la f.e.m. es igual al valor medio multiplicado por el coeficiente de forma Kf, de la onda producida, la f.e.m. eficaz E será la siguiente:

E = 4 Kf f N ϕm

Voltios

(1.3)

Tomando en cuenta que las bobinas de cada fase están distribuidas sobre la periferia del estator, pudiendo existir al mismo tiempo acortamientos en cada bobina, estos producen dos constantes en la ecuación de la f.e.m. resultante:

E = 4 Kf Kd Ka f N ϕm

Voltios

(1.4)

Donde: kf ≡ Factor de forma (flujo no sinusoidal puro). kd ≡ Factor de distribución (f.e.m. en devanado distribuido desfasadas => suma vectorial) ka ≡ Factor de acortamiento (bobinas con paso acortado en lugar de diametral => suma vectorial de f.e.m.) Ahora, si el flujo de distribución en el entrehierro es estrictamente senoidal, entonces la constante Kf, toma el valor de 1.11, luego la f.e.m. por fase en valor eficaz será:

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E

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= 4.44 Kd Ka f N ϕm

Voltios (1.5)

Esta fuerza electromotriz, se producen en cada fase de la máquina síncrona o generador, ver en la figura 1.5, la distribución de la f.e.m. eficaz en cada una de las fases. Recuerde que cada una de ellas se encuentra desfasada 120 º eléctricos y las bobinas en el estator se encuentran dispuestas cada 120 º geométricos.

Fig. 1.5 DISTRIBUCIÓN DE LA F.E.M. EN CADA FASE

Fasorialmente se las puede representar del siguiente modo:

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En forma instantánea, considerando senoidal las f.e.m. inducidas por fase, estas escribirse como:

pueden

eA = ÊA cos wt eB = ÊB cos (wt - 120º) eC = ÊC cos (wt - 240º) =

ÊC cos (wt + 120º)

eA = ÊA cos wt eB = ÊB (cos wt cos 120º + sen wt sen 120º) eC = ÊC (cos wt cos 240º + sen wt sen 240º)

Si las magnitudes de las fuerzas electromotrices son iguales en magnitud y fase, entonces el sistema se denomina equilibrado y su suma será nula ( recuerde, para el caso senoidal):

eA + eB + eC = ÊA cos wt + ÊB (cos wt cos 120º + sen wt sen 120º) + ÊC (cos wt cos 240º + sen wt sen 240º)

eA + eB + eC = ÊA cos wt + ÊB (cos wt (- 1/2) + sen wt (0,866)) + ÊC (cos wt (-1/2) + sen wt (- 0,866)) eA + eB + eC = 0

Cuya representación senoidal será la siguiente:

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El objetivo del alternador es transformar energía mecánica en energía eléctrica, precisamente por medio del giro de un rotor, y de un campo magnético. Esta primera característica lo encuadra dentro de un determinado tipo de generadores, que es el conjunto de los generadores eléctricos rotativos. A este grupo pertenecen también las dínamos, pero no pertenecen a él, por ejemplo, las baterías eléctricas, que transforman energía química en energía eléctrica. Una vez encuadrado en ese conjunto, se trata ahora de identificar la característica o características que diferencian al alternador de otros generadores eléctricos rotativos. Desde luego, esa característica no es la forma de onda de la intensidad que puede circular por él, ya que, como por el resto de generadores, por un alternador pueden circular intensidades de infinitos tipos de ondas, incluidas corrientes continuas. Lo que diferencia al alternador del resto de generadores eléctricos rotativos es la fuerza electromotriz que pretende generar. Los que estudian alternadores, los que los diseñan, los que los calculan y los que los fabrican, saben que un esfuerzo muy importante se dedica a tratar de eliminar o contrarrestar las influencias que distorsionan la onda de fuerza electromotriz. Por métodos conocidos y por medio de otros menos conocidos, se buscan distribuciones de campo magnético que, con cualquier carga del alternador, hagan que la fuerza electromotriz sea una onda lo más próxima posible a una senoidal. Esto es, exactamente, lo que se pretende que no se altere, que permanezca en cualquier régimen de funcionamiento del alternador; la forma senoidal de su fuerza electromotriz. De nuestra experiencia, podemos afirmar, no es fácil conseguir que la fuerza electromotriz en bornes sea exactamente senoidal, lo que nos permitirá redefinir conceptualmente a un alternador o generador de corriente alterna. La definición que más se acerca a la realidad es la siguiente: " Generador eléctrico rotativo destinado a producir fuerzas electromotrices que sean funciones sinusoidales del tiempo". No decimos "...que produce fuerzas electromotrices que son funciones sinusoidales del tiempo" porque, como hemos dicho, nunca se puede asegurar que las fuerzas electromotrices que genera sean exactamente sinusoidales, pero sí se pretende 8

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que lo sean. Además utilizamos el plural "fuerzas electromotrices" en lugar del singular, porque, si bien los alternadores monofásicos producen una sola fuerza electromotriz, los trifásicos producen tres y, en general, los de ‘n’ fases producen ’ n’ fuerzas electromotrices.

La velocidad de estas máquinas es constante e igual a: n = 60 f/p Donde:  f = frecuencia de la C.A (Hz)  p = numero de pares de polos  n = velocidad [rpm] 1.3 USO DE LA MÁQUINA SÍNCRONA TRIFÁSICA. Las Máquinas Síncronas se utilizan como:  Generadores de C.A. (alternadores). En las diferentes instalaciones eléctricas es más frecuente su empleo como generadores, para producir energía eléctrica en las centrales eléctricas, a través de fuentes primarias de energía hidráulica, térmica, nuclear, etc. En la generación de energía eléctrica en pequeña escala se emplean alternadores acoplados a motores de combustión interna, que se utilizan generalmente como sistemas de emergencias en algunos consumos como Empresas Industriales, Hospitales, Bancos u otras instituciones. Ver figura 1.6.

Fig. 1.6 GRUPO DE EMERGENCIA 9

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 Motores para Accionamientos con velocidad uniforme. Las máquinas síncronas pueden operar también convirtiendo la energía eléctrica en energía mecánica, lo que se conoce como régimen de marcha como motor síncrono. Estos motores se utilizan en aquellos requerimientos de algunas industrias cuyo requisito de accionamiento es la velocidad de transmisión constante, cuya ventaja frente a los otros motores, es que se puede mejorar en ellos,

el factor de potencia. Estos motores generalmente se lo utilizan en las industrias

metalúrgicas y de cemento como molinos.  Compensadores Sincrónicos (mejora el cosϕ de la instalación).

La última condición de trabajo de la máquina síncrona, permite en un estado de sobreexcitación, trabajar mejorando el factor de potencia de la instalación, llamándose a esta condición de trabajo como Compensador o Condensador Síncrono de la máquina síncrona.

1.4. POTENCIA EN CUATRO CUADRANTES. De acuerdo a las tres formas de operación de la máquina sincrónica, se puede representar la potencia de la máquina sincrónica bajo los siguientes 4 cuadrantes (Diagramación P, potencia activa, y Q, potencia reactiva), cuya tecnología de medición de esta condición, se denomina bidireccional en cuatro cuadrantes:

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El diagrama mostrado anteriormente, representa las diferentes condiciones de operación de la máquina sincrónica, vale decir:

(P1,Q1) – Generador Sobreexcitado o Generador Capacitivo. ( P1 > 0 , Q1 > 0 ) (P2,Q2) – Motor Sobreexcitado o Motor Capacitivo. ( P2 < 0 , Q 2 > 0 ) (P3,Q3) – Motor Subexcitado o Motor Inductivo. ( P3 < 0 , Q 3 < 0 ) (P4,Q4) – Generador Subexcitado o Generador inductivo. ( P4 > 0 , Q 4 < 0 ) (P5,0) – Generador Operando con Factor de Potencia Unitario. ( P5 > 0 , Q = 0 ) (P6,0) – Motor Operando con Factor de Potencia Unitario. ( P6 < 0 , Q = 0 ) (0,Q5) – Condensador Síncrono. ( P = 0 , Q 5 > 0 ) (0,Q6) – Reactor Síncrono. (P = 0 , Q 6 < 0 ) Nota.- El lector debe interpretar cada una de las condiciones, especialmente los signos para fines de criterio de suministro y/o consumo 11

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1.5. POR LA POSICIÓN DE SU EJE.

Los alternadores pueden ser de eje horizontal o de eje vertical, esto según la máquina primaria que los accione. Para el caso de turbinas hidráulicas, es común que sean de eje vertical y en ellos, la tecnología constructiva de sus órganos estructurales (carcasa, cojinetes, etc) tienen sensibles variantes con respecto a la máquina de eje horizontal. A continuación citaremos las Plantas Eléctricas susceptibles a conectarse en tanto con la flecha horizontal y vertical:

1.5.1. EJE HORIZONTAL.

•

Plantas hidroeléctricas de baja capacidad.

•

Plantas termoeléctricas.

•

Plantas de gas.

•

Plantas de combustión interna.

Plantas termoeléctricas con enfriamiento con H2.

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PLANTA TERMOELÉCTRICA

1.5.2. EJE VERTICAL.

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GENERADORES DE PLANTA HIDROELÉCTRICA DE ALTA CAPACIDAD, Y BAJA VELOCIDAD

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1.6.

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POR SU MÁQUINA MOTRIZ.

Generador para turbina de vapor.

Generador para turbina de gas

Generador para motor diesel.

Generador para turbina hidráulica de baja velocidad y gran capacidad.

1.7.

POR LA FORMA DE SUS POLOS.

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1.7.1.

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ROTOR DE POLOS SALIENTES. Accionados por motores de combustión interna, turbinas hidráulicas, etc. Generalmente tienen varios pares de polos y se utilizan para velocidades hasta 1000 rpm.

Rotor de polos salientes. Se tiene en generadores de plantas hidroeléctricas o en motores síncronos; (baja velocidad). 1.7.2. ROTOR DE POLOS LISOS.

Accionados por turbinas de vapor o gas. Tienen uno o dos pares de polos y sus velocidades son 1500 o 3000 rpm.

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Generadores de Rotor cilíndrico o de polos lisos, alta velocidad, de baja ó alta capacidad. 1.8.

DEVANADOS DE LA MAQUINA SÍNCRONA.

1.9.

ASPECTOS CONSTRUCTIVOS.

1.9.1. ESPIRA.

Se forma por dos conductores que en un instante dado, se localizan en polos de diferente polaridad. 17

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1.9.2. BOBINA.

Formada por dos costados, que puede tener uno o más conductores. Número espiras/bobina = conductores/costado

Grupo Polar de Bobinas. Conjunto de bobinas cuyos costados ocupan en un instante dado la misma posición en polos de diferente polaridad. •

Los grupos polares de bobina se conectan en serie o paralelo para formar un fase. Representación desplegada. 18

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Devanado (fase).- En maquinas de C.A. Conjunto de grupos polares de bobinas interconectados entre sí, formando arreglos en serie o en paralelo.

Fase en conexión serie 1.9.3. CONEXIONES.

Fase, con conexión de 4 grupos en paralelo

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Fase con 2 grupos en serie, en dos ramas en paralelo.

1.10.

CONEXIONES ENTRE DEVANADOS.

La conexión de cada devanado es muy importante para discriminar la magnitud de la potencia sea esta activa, reactiva y/o aparente. Por ejemplo, si el arreglo que a continuación se muestra corresponde a un motor trifásico, entonces se puede concluir inmediatamente un concepto, que tiene que ver con la Ley de Óhm, de la siguiente forma: “ El motor trifásico mantiene potencia en cualquiera de sus arreglos, siempre que cada uno de sus devanados este sometido a la misma diferencia de potencial ”, sólo en este caso mantiene su potencia en forma invariable. Ahora, si la diferencia de potencial es distinta en algún arreglo, entonces se puede concluir que el motor trifásico en uno de sus arreglos tendrá mayor o menor potencia.. Ver a continuación arreglos o conexión de devanados:

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1.11. CONEXIONES TRIFÁSICAS.

En la operación de las máquinas sincrónicas, bajo cualquiera de las tres operaciones, requieren previamente ser conectadas, vale decir, unir sus terminales (principio y final), para ello, existen básicamente dos conexiones: la conexión Estrella y la conexión Triángulo.

Los devanados correspondientes a cada fase y sus respectivos diagramas fasoriales de fuerzas electromotrices, podemos dibujarlos del siguiente modo:

De los que podemos puntualizar: Los devanados en maquina trifásica por construcción, están desfasados 120 ° geométricos. 21

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La f.e.m. inducida de cada fase conserva el mismo desfasamiento, es decir 120 º eléctricos.

1.11.1. CONEXIÓN ESTRELLA.

Resulta de la unión de principios ó finales de cada devanado correspondiente a cada fase, a la unión de principios o finales se la denomina NEUTRO, y a los principios o finales libres se las denomina FASES. En la figura, la unión se realiza entre los terminales A’, B’ y C’, denominado Neutro y las terminales A, B y C resultan las libres o accesibles, denominadas fases. Ver figura:

El voltímetro

EBN,

representa a las tres F.e.m. de Fase, es decir,

ECN,

EAN,

respectivamente, observe el orden de prioridad de las fases, a ello se lo denomina secuencia de fases, en este caso secuencia ABC, comúnmente, secuencia directa o secuencia positiva, en caso contrario secuencia negativa.

El voltímetro

EAB,

representa a las tres F.e.m. de Línea, es decir,

EBC, ECA,

respectivamente, también debe observarse el orden de prioridad de las fases, a ello se lo

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denomina secuencia de fases, en este caso secuencia ABC, comúnmente, secuencia directa o secuencia positiva, en caso contrario secuencia negativa.

1.11.2. DIAGRAMA FASORIAL DE TENSIONES DE FASE Y ENTRE FASES:

1.11.3. DIAGRAMA FASORIAL DE TENSIONES.

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1.12. VENTAJAS DE LA CONEXIÓN ESTRELLA.

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