Máquinas Eléctricas I: Máquina Sincrónica, Conceptos Básicos.

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1 Máquinas Eléctricas I: Máquina Sincrónica, Conceptos Básicos.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Máquinas Eléctricas I: Máquina Sincrónica, Conceptos Básicos. Profesor: Miguel Morales

2 MÁQUINA SINCRÓNICA, CONCEPTOS BÁSICOS, CONTENIDOS
Tensión Inducida en una Espira Sencilla que se Mueve dentro de un Campo Magnético Uniforme. Generalidades de la Máquina Sincrónica. Sistemas de Excitación. Estator. Rotor. Alternador de Polos Cilíndricos. Alternador de Polos Salientes. Principio de Funcionamiento Generador Sincrónico 2 Polos. Principio de Funcionamiento Generador Sincrónico 4 Polos. Relación entre Grados Eléctricos y Grados Mecánicos. Cabeza Polar y Forma de Onda de la Tensión Inducida.

3 ESPIRA SENCILLA EN UN CAMPO MAGNÉTICO UNIFORME:
b c 𝝓 N d 𝝎 𝒔 b d a 𝒆 𝒊𝒏𝒅 𝒆 𝒊𝒏𝒅 𝒆 𝒊𝒏𝒅 =( 𝒗 𝒙 𝑩 )⋅𝒍 S a c b r c d 𝝓 S 𝒍 𝒗 𝒄𝒅 𝝎 𝒔 𝒗 𝒂𝒃 N d a b 𝑩 a 𝒆 𝒊𝒏𝒅

4 ESPIRA SENCILLA EN UN CAMPO MAGNÉTICO UNIFORME:
b c r r d 𝒗 𝒄𝒅 l 𝝎 𝒔 𝒗 𝒂𝒃 b d a a 𝒗 𝒂𝒃 𝒆 𝒊𝒏𝒅 = 𝒗 𝒙 𝑩 ⋅𝒍= 𝒆 𝒂𝒃 + 𝒆 𝒃𝒄 + 𝒆 𝒄𝒅 + 𝒆 𝒅𝒂 𝜽 𝒂𝒃 Segmento ab: 𝒆 𝒃𝒂 =𝒗∗𝑩∗𝒍∗𝒔𝒆𝒏 𝜽 𝒂𝒃 𝑩 Segmento bc: l es perpendicular a 𝒗 𝒙 𝑩 ⇒ 𝒆 𝒄𝒃 =𝟎 𝑩 Segmento cd: 𝒆 𝒅𝒄 =𝒗∗𝑩∗𝒍∗𝒔𝒆𝒏 𝜽 𝒄𝒅 𝒗 𝒄𝒅 Segmento da: l es perpendicular a 𝒗 𝒙 𝑩 ⇒ 𝒆 𝒂𝒅 =𝟎 Pero: 𝜽 𝒂𝒃 =𝟏𝟖𝟎°− 𝜽 𝒄𝒅 y además 𝒔𝒆𝒏 𝟏𝟖𝟎°−𝜽 =𝒔𝒆𝒏(𝜽) 𝜽 𝒄𝒅 ⇒ 𝒆 𝒊𝒏𝒅 =𝟐∗𝒗∗𝑩∗𝒍∗𝒔𝒆𝒏(𝜽)

5 ESPIRA SENCILLA EN UN CAMPO MAGNÉTICO UNIFORME:
𝒆 𝒊𝒏𝒅 =𝟐∗𝒗∗𝑩∗𝒍∗𝒔𝒆𝒏(𝜽)

6 ESPIRA SENCILLA EN UN CAMPO MAGNÉTICO UNIFORME:
𝒆 𝒊𝒏𝒅 =𝟐∗𝒗∗𝑩∗𝒍∗𝒔𝒆𝒏(𝜽) 𝜽=𝝎∗𝒕 𝒗=𝒓∗𝝎 r 𝑩 c d 𝒗 𝒄𝒅 𝒗 𝒂𝒃 𝜽 𝒄𝒅 𝝎 𝒔 𝒆 𝒊𝒏𝒅 =𝟐∗𝒓∗𝝎∗𝑩∗𝒍∗𝒔𝒆𝒏(𝝎∗𝒕) 𝑨=𝟐∗𝒓∗𝒍 𝝓 𝒎𝒂𝒙 =𝑨∗𝑩 𝜽 𝒂𝒃 𝑩 c b ⇒ 𝒆 𝒊𝒏𝒅 = 𝝓 𝒎𝒂𝒙 ∗𝝎∗𝒔𝒆𝒏(𝝎∗𝒕) r El voltaje en cualquier máquina real depende de tres factores: El flujo en la máquina. La velocidad de rotación. Una constante que representa la construcción de la máquina, número de espiras, entre otros. l d a

7 GENERALIDADES DE LA MÁQUINA SINCRÓNICA.
Son máquinas eléctricas. Convierten energía mecánica en energía eléctrica (Alternadores o Generadores Sincrónicos) o viceversa (Motores Sincrónicos). La velocidad de rotación 𝒏 𝒔 (r.p.m.), está rígidamente vinculada con la frecuencia f de la red de corriente alterna con la cual trabaja de acuerdo con la siguiente expresión: 𝑛 𝑠 = 120∗𝑓 𝑃 Donde P = número de polos de la máquina. Puede funcionar, como generador, de forma independiente o en paralelo con otros generadores. Para que ocurra la transformación de energía mecánica a eléctrica o viceversa es imprescindible que exista un campo magnético con velocidad relativa respecto a los conductores del inducido de la máquina.

8 MÁQUINA SINCRÓNICA, CONCEPTOS BÁSICOS, CONTENIDOS
El campo es producido por un arrollamiento de excitación montado en el rotor, generalmente, sobre polos salientes o sobre inductores ranurados (polos cilíndricos, turboalternadores). El balance de energía o potencia es : Generador: Potencia Mecánica = Potencia Eléctrica + Pérdidas Motor: Potencia Eléctrica = Potencia Mecánica + Pérdidas

9 SISTEMAS DE EXCITACIÓN:

10 SISTEMAS DE EXCITACIÓN:
Sistema de excitación con dinamo excitatriz Sistema de excitación electrónico

11 SISTEMAS DE EXCITACIÓN SIN ESCOBILLAS (BRUSHLESS):
Circuito del excitador sin escobillas

12 SISTEMAS DE EXCITACIÓN SIN ESCOBILLAS (BRUSHLESS):
Circuito del excitador sin escobillas incluye excitador piloto

13 ESTATOR:

14 ESTATOR: Parte fija de la máquina sincrónica donde se alojan los conductores que suministran o absorben la energía eléctrica de corriente alterna (Devanado Inducido). El inducido está colocado en ranuras dispuestas simétricamente en la periferia de la corona estatórica. La corona está formada por láminas magnéticas de 0.5 mm de espesor con perdidas específicas entre 1.5 y 2.5 Watts/Kg, agrupadas en paquetes de 3 a 10 cm, entre las cuales se dejan espacios que sirven como canales de ventilación, las láminas se aíslan entre si para evitar las perdidas por corrientes parásitas. En el inducido de turboalternadores se disponen cada 10 o 20 cm láminas de algún material aislante. Para diámetros exteriores del estator inferiores a 1 m (S≈ 10 MVA), la chapa se corta en una sola pieza, para diámetros superiores se utilizan segmentos de chapa, unidas alternadamente en forma traslapada.

15 ESTATOR:

16 ESTATOR:

17 ROTOR:

18 ROTOR: Parte móvil de la máquina sincrónica donde se encuentra colocado el devanado inductor. El devanado inductor recibe la excitación de corriente continua a través de dos anillos rozantes con sus respectivas escobillas. En el diseño de alternadores es importante que la distribución del flujo en el entrehierro sea lo más senoidal posible, a fin de reducir al mínimo el contenido de armónicas en los voltajes y en las corrientes. Como 𝒆 𝒊𝒏𝒅 = 𝝓 𝒎𝒂𝒙 ∗𝝎∗𝒔𝒆𝒏(𝝎∗𝒕), el resultado requerido se puede obtener de dos formas diferentes las cuales definen a su vez dos tipos de alternadores: Alternador de polos cilíndricos (turboalternadores). Alternador de polos salientes.

19 Rotor de Polos Salientes
𝝓 Rotor de Polos Salientes 𝝓 Rotor de Polos Cilíndricos o Lisos

20 ALTERNADOR DE POLOS CILÍNDRICOS
Rotor diseñado para que presente un entrehierro uniforme obteniéndose así una f.m.m. senoidalmente distribuida por medio de un espaciamiento adecuado de los conductores alrededor de la periferia del cilindro. El cuerpo del rotor puede construirse en forma laminada o en forma maciza. Rotores utilizados en máquinas acopladas a turbinas de vapor, por eso también reciben el nombre de turboalternadores. Son generalmente máquinas de dos polos con velocidades nominales de 3000 a 3600 r.p.m. para frecuencias de 50 y 60 Hz respectivamente. Para mantener la velocidad periférica dentro de los límites impuestos por la resistencia de los materiales, el diámetro del rotor de la máquina debe ser reducido, en consecuencia, el incremento de potencia en el diseño de un turboalternador incrementará notablemente las dimensiones axiales. Se acoplan a turbinas que operan a alta velocidad accionadas por un fluido motriz que puede ser vapor de agua o gas, o de ciclo combinado vapor – gas.

21 ALTERNADOR DE POLOS CILÍNDRICOS

22 ALTERNADOR DE POLOS CILÍNDRICOS

23 ALTERNADOR DE POLOS SALIENTES
Otra forma de obtener uniformidad en la onda generada de tensión consiste en concentrar la f.m.m. en una bobina solenoide de varias capas ubicada en un polo saliente, la distribución senoidal de flujo se obtiene adecuando la pieza polar, es decir, variando la reluctancia del entrehierro como una función del ángulo (α) formado con el eje polar (eje d). Alternadores acoplados a turbinas hidráulicas. Máquinas de baja velocidad ⟹ gran número de polos (2 a 128). Turbinas Francis: turbinas de reacción, el paso del agua por la turbina se efectúa en forma radial, aprovechando de esta forma la energía estática del agua. Turbinas Kaplan: turbinas de reacción, el fluido motriz atraviesa la turbina en la dirección del eje de la máquina, dirección axial, también aprovechan en parte la energía dinámica del agua. Turbinas Pelton: turbinas de impulso, el fluido motriz opera en forma tangencial, utilizando de esta forma la energía cinética del agua.

24 ALTERNADOR DE POLOS SALIENTES

25 ALTERNADOR DE POLOS SALIENTES
Turbinas Pelton

26 ALTERNADOR DE POLOS SALIENTES
Turbinas Francis

27 ALTERNADOR DE POLOS SALIENTES
Turbinas Kaplan

28 ALTERNADOR DE POLOS SALIENTES

29 GENERADOR SINCRÓNICO: Principio de Funcionamiento, Dos Polos
𝒆 𝒊𝒏𝒅 = 𝒗 𝒙 𝑩 ⋅𝒍 𝒗 𝑩 𝑩 𝒏 𝝎∗𝒕=𝟎° 𝝎∗𝒕=𝟒𝟓° 𝑩 𝑩 𝑩 𝝎∗𝒕=𝟏𝟖𝟎° 𝝎∗𝒕=𝟗𝟎° 𝝎∗𝒕=𝟏𝟑𝟓°

30 GENERADOR SINCRÓNICO: Principio de Funcionamiento, Cuatro Polos
𝒗 𝒆 𝒊𝒏𝒅 = 𝒗 𝒙 𝑩 ⋅𝒍 𝑩 𝑩 𝒏 𝝎∗𝒕=𝟎° 𝝎∗𝒕=𝟒𝟓° 𝑩 𝑩 𝑩 𝝎∗𝒕=𝟏𝟖𝟎° 𝝎∗𝒕=𝟗𝟎° 𝝎∗𝒕=𝟏𝟑𝟓°

31 GENERADOR SINCRÓNICO: Principio de Funcionamiento, Tensiones Generadas por Fase

32 GENERADOR SINCRÓNICO: Principio de Funcionamiento, Tensiones Generadas por Fase

33 GENERADOR SINCRÓNICO: Principio de Funcionamiento, Tensiones Generadas por Fase

34 GENERADOR SINCRÓNICO: Principio de Funcionamiento, Grados Eléctricos y Grados Mecánicos
°𝑬=°𝑴∗ 𝑷 𝟐 𝒇 𝒆 = 𝒇 𝒎 ∗ 𝑷 𝟐 𝒇 𝒆 = 𝒏 𝒔 𝟔𝟎 ∗ 𝑷 𝟐 𝒏 𝒔 = 𝟏𝟐𝟎∗𝒇 𝑷

35 CABEZA POLAR Y FORMA DE ONDA DE LA TENSIÓN INDUCIDA
𝑡 𝑝 = paso polar, distancia entre dos polos consecutivos en número de ranuras 𝑏 = arco polar o ancho de la cara polar, La relación 𝑏 𝑡 𝑝 más frecuente es de 2 3 =0.66

36 BIBLIOGRAFÍA Chapman, Stephen J. “Máquinas Eléctricas“ Cuarta Edición Mc Graw-Hill Int, México. 2005 IEEE Std 115 – 1983 , IEEE Guide Test Procedures for Synchronous Machines. Johnson & Phillips Ltd, Newnes, “The J & P Transformer Book” Decima Segunda Edición, Gran Bretaña. 1998 Mora, M. Pedro “Maquinas Eléctricas y Transformadores Ed. ULA, Mérida, Venezuela. 1987 Mora, Jesus Frayle “Máquinas Eléctricas” Quinta Edición Mc Graw-Hill Int, España. 2003