Tema 3 Maquinas Sincronas PDF

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Maquinas Síncronas 3.1 Componentes de las máquinas sincrónicas. La máquina sincrónica al igual que la máquina de corriente directa, se puede conectar para operar como generador y como motor. Estos motores son llamados así, debido a que la velocidad del rotor y la velocidad del campo magnético del estator son iguales. 

Tienen un estator de trifásico similar al de un motor de inducción.



Tienen un rotor bobinado que tiene el mismo número de polos que el estator.

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Arranca como un motor de inducción.



Los motores síncronos funcionan a la velocidad de sincronismo de acuerdo con la fórmula: RPM = (120 x frecuencia)/Número de polos

3.2 Principio operacional de las máquinas sincrónicas como generador y como motor. El devanado amortiguador tipo jaula de ardilla produce el par de arranque y aceleración del motor, dando como resultado una alta velocidad en el motor. Cuando la velocidad del motor alcanza aproximadamente 97% de su valor nominal en RPM, la corriente del campo de corriente directa se aplica al rotor produciendo una fuerza de Torsión y el rotor disminuirá su velocidad hasta "sincronizarse" con el campo rotativo del devanado de campo en el estator. Después de la sincronización, la fuerza de torsión no deberá excederse o el motor quedará fuera de sincronismo. Ocasionalmente, Si existe sobrecarga momentánea, el motor sufrirá un "deslizamiento" pero volverá a sincronizarse.

3.3 Fuerza electromotriz inducida y frecuencia. La fuerza magneto motriz (f.m.m.) en el entrehierro debida a un devanado sólo depende de la geometría de éste y de su corriente. Se puede aplicar el principio de superposición a las f.m.m.s. Se utilizarán estas tres f.m.m. para el análisis de máquinas síncronas:   

F.m.m. inductora o de excitación, Fe , debida al devanado inductor. F.m.m. de reacción de inducido, Fi , producida por el devanado inducido. F.m.m. resultante, Fr , producida por el conjunto de todos los devanados de la máquina. Se puede obtener por superposición de las otras dos.

3.4 Circuito equivalente y diagramas fasoriales. El circuito equivalente del generador síncrono, representa el modelo de la máquina para determinar el comportamiento de la tensión en las terminales del generador. Éste voltaje depende del tipo de carga que se encuentre conectada a la máquina y puede mayor o menor que el voltaje generado. Esto se debe a los siguientes factores:    

La reacción de armadura. La caída de voltaje en la resistencia de armadura. La caída de voltaje o reactancia de distorsión en la armadura. La forma del rotor de polos salientes

En la imagen previa se observa el circuito equivalente de un generador síncrono trifásico, la resistencia RA nos representa la caída de voltaje en la armadura, la reactancia XS nos representa el voltaje o reacción del inducido o armadura más la caída de voltaje o reactancia de distorsión en la armadura, EA nos representa el voltaje interno generado.

3.6 Regulación de tensión con diferentes tipos de carga. 

Excitación normal la velocidad del motor síncrono no puede variar al conectarse la carga debido a que este se encuentra funcionando a velocidad de sincronismo, sin embargo si se produce una pequeña variación en el ángulo alfa del par presentara un desplazamiento mecánico.

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Subrexcitación En este diagrama fasorial se aprecia que cuando el motor se excita con un voltaje Egp < Vp, se produce una corriente en la armadura con un ángulo de retraso muy cercano a los 90° y a medida que la carga aumenta el factor de potencia mejora como lo muestra el diagrama con la corriente de armadura I2e I3. Esta mejora del factor de potencia se debe al mayor voltaje resultante en la máquina, provocando con ello una mayor corriente.

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Sobreexcitación. En este caso cuando la carga es pequeño el voltaje resultante Er1tiene un pequeño desfasamiento respecto a Egp y la corriente en la armadura Ia1seencuentra en cuadratura, sin embargo a medida que se suministra una mayor carga al motor se observa como el ángulo de factor de potencia mejora, acercándose a la unidad.

3.7 Operación en paralelo de los generadores sincrónicos. Los esquemas eléctricos de potencia se configuran de tal forma que los generadores síncronos se conectan en paralelo para abastecer la gran demanda de potencia eléctrica de los usuarios. Razones por las que se conectan en paralelo los generadores síncronos: 

Dos o más generadores síncronos pueden abastecer una carga mucho mayor que un solo generador.

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El tener varios generadores síncronos, aumenta la confiabilidad del sistema, debido a la configuración que se tiene (en anillo), en caso de falla de alguno de ellos, se puede abastecer esa carga con los demás generadores conectados.

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El tener varios generadores síncronos facilita el mantenimiento preventivo en cualquiera de ellos.

A continuación se aprecia la conexión para la operación en paralelo de dos alternadores trifásicos.

3.8 Métodos de arranque de los motores sincrónicos. Una de los grandes problemas del motor síncrono es su bajo par de arranque, motivo por el cual se hace necesario llevar al motor a su velocidad síncrona utilizando diferentes métodos. 

Arranque del motor por medio de la reducción de la frecuencia eléctrica. El propósito de este método es reducir la velocidad del campo magnético del estator de tal manera que el motor arranque por sí mismo.

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Arranque del motor con un motor primario externo. En este método se hace uso de un motor externo de cd o ca que permita arrastrar al motor síncrono hasta la velocidad plena, una vez alcanzada esta velocidad, el motor síncrono se puede conectar en paralelo con el sistema de potencia funcionando como generador.

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Arranque del motor con devanados de amortiguamiento. Consiste en colocar devanados de amortiguamiento en unas barras localizadas en la cara del rotor y que están en cortocircuito en cada extremo por medio de un anillo

3.9 Análisis fasorial del motor sincrónico bajo diferentes condiciones de carga y de excitación. La regulación de voltaje un generador síncrono se define como la razón de cambio del voltaje en las terminales de la máquina de este el voltaje en vacío hasta plena carga. Así la regulación de voltaje porcentual queda determinada por la siguiente expresión:

3.10 Potencia, par electromagnético y rendimiento. En un circuito con factor de potencia inductivo la carga consume potencia reactiva y, por tanto, el generador estará generando potencia reactiva. Análogamente, en un circuito con factor de potencia capacitivo la carga genera potencia reactiva y, por tanto, el generador la estará consumiendo.

A continuación tenemos un circuito equivalente y diagrama fasorial de un generador síncrono cilíndrico.

Fuentes de Consulta Héctor García Melchor. (2018). MÁQUINAS SÍNCRONAS. 08/11/20, de UDL Sitio web: https://docplayer.es/24177676-Unidad-3-maquinas-sincronas.html Miguel)Ángel Rodríguez Pozueta. (2019). Máquinas Eléctricas II. 09/11/20, de Universidad de Cantabria Sitio web: https://ocw.unican.es/pluginfile.php/2806/course/section/2597/03_Maquinas%20Sincronas .pdf...