6. MÁQUINAS SÍNCRONAS

Las máquinas síncronas son máquinas eléctricas rotantes, cuando el paso de rotación n (min –1) está definida como una constante en función del número de polos y de la frecuencia (Hz), de acuerdo a la siguiente relación.

n 120f/PDonde p el número de polos pares de excitación del circuito.Las máquinas síncronas son máquinas reversibles y estas pueden ser usadas como generadores síncronos o alternadores, (transformar la energía mecánica de un motor a energía eléctrica).Las máquinas síncronas están compuestas con circuitos inductores (generalmente puestos en el motor) que emplean corrientes direccionales, produciendo un campo magnético constante y un circuito inductivo o armadura (generalmente puesto en el estator) cuando el fenómeno de inducción electromagnética ocurre.En el caso del alternador, la armadura puede ser conectada a la carga (interconexión del alternador) o de la alimentación principal (operación en paralelo con frecuencia y voltaje constante del sistema). Para que la energía eléctrica no logre operar la máquina síncrona como motor, debe conectarse adecuadamente a la fuente principal de alimentación de energía.

6.1 ALTERNADOR TRIFÁSICO

Cuando el flujo magnético producido por la fuente en las poleas del rotor cuando es puesto en rotación, el valor efectivo o fuerza electromotriz f. e. m. Generada en el estator en circuito abierto por el relativo movimiento es descrito por la siguiente relación (ver la sección 2.2.1 cuando la máquina emplea un polo externo y se varían los polos en el estator

E0 kfCuando k es una constante dependiendo del tipo de construcción del alternador.El voltaje derivado sin carga E0 depende de la excitación de corrientes y del paso de rotación: Pero cuando se trabaja con la frecuencia puede ser estabilizado el paso o velocidad cuando se es constante.Si ahora las terminales del estator son conectadas a una carga externa, en la corriente de armadura se producen considerables efectos magnéticos. Esto es debido a fallas de fabricación, también se observan caídas de voltaje en la armadura (ver sección 2.3.1) cuando estos efectos dependen de la carga y el Factor de potencia.a) Carga resistiva, cos= 1El campo magnético en la armadura produce una distorsión en el flujo útil, pero sin reducir el valor integral.b) Carga capacitiva, cos= 0El campo magnético de la armadura produce una acción magnética que puede producir un flujo fuerte. c) Carga inductiva, cos= 0El campo magnético de la armadura produce un efecto de desmagnetización que reduce el flujo útil.

6.2 VARIACION DEL VOLTAJE

Normalmente los voltajes en las terminales del alternador pueden tener un remanente constante debido a la variación de las cargas y estos pueden ser obtenidos revisando la variación del voltaje E0 cuando el valor puede ser susceptible a variar por la fuente de excitación, corriente IE en la máquina.Entre los numerosos métodos indirectos, mas o menos aproximados, usados para determinar como reacciona la armadura modificando los voltajes en las terminales pueden ser considerados para simplificar el método Behn-Eschenberg’s o método de impedancia síncronas, son usados en algunos casos para conocer las cualidades de orden de los valores involucrados.Considerando el circuito equivalente de un alternador de una fase de acuerdo al método de Behn-Eschenberg’s se muestra en la figura.

Donde E0, es la fuerza electromotriz generada sin carga, RS es una resistencia óhmica de la armadura cuando Xd es la reactancia síncrona, una gran cualidad que propone la reactancia de la senoide se considera como el efecto de reacción de armadura.La impedancia síncrona es calculada con la siguiente relación:

Donde EoN es el valor de voltaje obtenido sin carga cuando la excitación de corriente IEo y Iko es el parámetro de corriente en corto circuito correspondiente a la excitación de corriente IEo.Desde la resistencia ohmica RS es normalmente insignificante con respecto a la reactancia Xd, de simplificación siguiente resulta: Zd = Xd.Esto es por lo tanto posible cuando se usa el siguiente circuito equivalente simplificado de un alternador de una fase con una carta resistiva R y por lo tanto cos= 1, cuando es supuestamente conectada.

Cuando el alternador entrega una corriente I es posible determinar el valor de la f.e.m., Eo del diagrama vectorial, donde el generador tiene un voltaje generado Es en la carga.El resultado numérico es:

Por el contrario si ahora la carga es caracterizada por una inductancia general o capacitancia, elfactor de potencia en el diagrama vectorial se muestra en la siguiente figura:

Los resultados numéricos:a) cosind

b) coscap

Después de haber calculado el valor de la f.e.m, Eo correspondiente a la carga particular considerada, determinaremos el correspondiente valor de la corriente de excitación IE¿ sobre la característica de magnetización.La regulación característica IE = (fI) con una constante cospor lo tanto ahora la excitación de la corriente puede ser variada manteniendo constante el voltaje en las terminales.La regulación característica puede ser por lo tanto un valor normal para cos, con valores de cos= 1 y cos= 0.8 inductivo, los cuales son determinados: el cos= 0.8 capacitivo es un valor interesante que decrece por la magnetización de los efectos de los campos producidos.

6.3 REPRESENTACION DEL ALTERNADOR

La representación del alternador está subrayado por las características de magnetización (la relación entre del voltaje entre las terminales de una armadura de circuito abierto y la corriente de excitación del paso de rotación), por la característica de permanente corto circuito (relación entre corriente en la armadura en corto circuito y la excitación de corriente en el paso de rotación o valores tan pequeños menores que 0.2 en el rango medido) y por las características de regulación (relación entre corrientes de excitación y corriente en la carga con un voltaje constante en las terminales).Finalmente la eficiencia del alternador está definida por una relación entre la potencia eléctrica P y la potencia mecánica Pin correspondiente a la absorbida en los ejes, puede ser determinada por un método directo por la evaluación de la potencia Pd equivalente a la pérdida total, de lo que resulta la siguiente relación

La pérdida total Pd puede ser considerada como la suma de las siguientes perdidas:1. Perdidas en la excitación 2

2. Perdidas eléctricas en el rozamientoPara cualquier rozamiento de cierta polaridad existe una pérdida de voltaje que se supone igual Ib = 1v (rozamiento de grafito o carbón).V = 0.3 volts (rozamiento metal-carbón)De estas perdidas eléctricas por rozamiento resultaPb=2 IE (rozamiento de grafito o carbón)Pb= 0.6 IE (rozamiento metal-carbón)3. Perdida constante P0 (mecánica y calentamiento)Estas perdidas pueden ser determinadas por medio de pruebas sin cargas4. RI4 Pérdidas en el embrollamiento de armadura5. Perdidas adicionales Pad

Estas pérdidas pueden ser deducidas mediante pruebas de corto circuitoNota: A menos que exista una prescripción contraria, todas las pérdidas por efecto Joule pueden ser referidas a una temperatura de 75 grados centígrados, usando la siguiente fórmula:

Cuando ta es la medición de la temperatura de ta resistencias Rta.En particular, si ta es = a 20 grados centígrados nosotros tenemos

6.4 SENTIDO DE ROTACION

El sentido de rotación del alternador es impuesto por el arranque del motor.

El tiempo del sentido de rotación ( o arranque correcto ) corresponde a la rotación de la máquina en el sentido horario o de reloj, cuando observen que la máquina se encuentra en oposición con el conmutador.

6.5 CONEXION EN PARALELO CON LA ALIMENTACIÓN PRINCIPAL

Un alternador puede ser conectado en paralelo con la fuente principal cuando las siguientes condiciones son satisfechas al mismo tiempo:1. Que el paso de rotación que genera la f.e.m., la frecuencia generada por el alternador sea igual al de la fuente principal.La frecuencia de la alimentación principal es constante y normalmente tiene los valores de 50 ó 60 hertz, la frecuencia del alternador puede ser variada modificando la velocidad del motor.La frecuencia del alternador puede ser medida con un frecuencímetro o medidor de velocidad empleando la relación n=a 60 f/p2. El voltaje en las terminales del alternador debe ser igual al de la alimentación principal.El voltaje del alternador puede ser medido por un vóltmetro y puede ser ajustado variando la corriente de excitación IE hasta que sea del mismo valor que la fuente principal, que se supone constante3. Sincronizar las fases con la alimentación principalLa sucesión de fases puede ser cambiada invirtiendo 2 fases, el sincronismo puede ser medido fácilmente empleando un sistema de lámparas, esto se muestra en la siguiente figura:

Las tres lámparas se colocan en los vértices de un triángulo equilátero (en particular) y cada fase es conectada en el cruce o esquina de las terminales para tener cada cruce conectado a una terminal de un interruptor paralelo.Los vectores OA, OB y OC (particularmente b) representan los voltajes de la alimentación principal cuando OA’, OB y OC representan los voltajes del alternador: El voltaje en la lámpara 1 es BB’, cuando CA’ y AC’ son los voltajes de las lámparas 2 y 3.Si la frecuencia es diferente del alternador, los 2 vectores terminan en diferentes pasos y si el alternador es mas rápido el vector A’, B’, C’ giran en sentido contrario del reloj con respecto a A, B, y C cuando el paso corresponde a las diferencias en frecuencias.En un instante la lámpara 1 tiende a 0 cuando AC’ tiende al máximo valor y CA’ de la lámpara 2 está pasando por el máximo valor: la lámpara tiene su máxima intensidad luminosa en la frecuencia 2/3/1 ó 1/2/3. Por otro lado si el alternador es lento, la rotación del vector, A’ B’ C’ gira en sentido horario y las lámparas tienen su máxima intensidad luminosa en la frecuencia 2/1/3 ó 1/3/2. El momento exacto cuando es posible conmutar el interruptor para la conexión en paralelo, es cuando dos de los vectores se encuentran en fase. Cuando la lámpara 1 está apagada y la lámpara 2 y 3 están iluminadas.Nota:Cuando el orden de la sucesión crítica de las fases de la alimentación principal no correspondan con las del alternador, las 3 lámparas estarán encendiendo y apagando en forma rítmica dependiendo de la variación de frecuencia: en este caso, antes de conectar en paralelo, es necesario hacer el intercambio entre 2 cables de la alimentación principal o alternador.Al final desconecte el alternador de la alimentación principal y observe las siguientes características: a) Reducción de la potencia del motor, con la potencia derivada del alternador resulta nulo (nulo o mínimo indicado en el amperímetro)b) Abra el interruptor de paralelo

c) Detenga el motord) Desenergice el alternador

6.5.1 RESPUESTA DE LA CONEXION EN PARALELO DEL ALTERNADOR

Antes de conectar el alternador con la alimentación principal, que se supone puede ser de potencia infinita, la generación de f.e.m., E es igual y opuesta al lenguaje principal B, y el alternador está fuera y no recibe energía: el alternador opera sin carga pero es necesario en cualquier caso una carga o torque que compense la resistencia pasiva.Si ahora el alternador es excitado se incrementa la generación de f.e.m. E (E V) y por lo tanto la f.e.m., ER resultante es puesta en fase con E, que hace que una corriente I0 = E/Zd fluya, prácticamente y defasamiento de 90 grados con respecto a E, esto debe prevalecer para una reactancia síncrona Xd en la resistencia del estator.

El alternador genera solamente potencia reactiva Eio que es derivada principalmente de la alimentación principal (VIo) y particularmente absorbida por el circuito de armadura ( ER Io )En una vía similar si la excitación decrece en tal vía se tiene como resultado E V, tenemos una corriente en 0 pero un atraso de 90 grados con respecto a E, y el alternador absorbe solo la potencia reactiva.El alternador puede hacer que tome la carga solo por incrementos en el torque solo si el grupo motor alternador tiende a acelerarse.Cuando la f.e.m., E avanza por el ángulo con respecto al voltaje principal V, la fase resultante de la f.e.m., ER produce una corriente I.La ecuación vectorial para los resultados del generador son:

E V ER

Y el componente activo de la corriente derivada está en fase con el voltaje E

En estas condiciones el alternador genera potencia activa positiva, directa hacia la línea.Pg =EI cos

Y entrega esta potencia hacia la alimentación principal.P EI cosVI cos

Usando la ya empleada hipótesis Zd =Xd tenemos también que ½ por lo tanto la potencia generada es igual que la que entrega

Pg= P= VI cos ½ Obteniendo el resultado:

Finalmente obtenemos:

Por lo tanto la potencia entregada es proporcional a sen, cuando es el ángulo de la carga.Cuando el ángulo se incrementa la potencia generada se incrementa, esto es posible hasta el límite del valor 90porque si este valor sobrepasa la potencia generada se decrementa y el alternador se vuelve inestable y hay pérdidas de velocidad.Resumiendo cuando es conectado en paralelo un generador con la alimentación principal de potencia infinita:a) La frecuencia y voltaje del generador son controlados por la fuente principal:b) La potencia activa del generador depende únicamente del torque;c) La potencia reactiva del generador depende de la corriente de excitación

6.6 MOTOR SINCRONO

Si antes teníamos la salida del alternador en paralelo conectada con la alimentación principal como suponemos que esto nulifica el torque, el rotor tiende a volverse mas lento, y la f.e.m., E se encuentra fuera de fase del ángulo con respecto al voltaje principal V. En esta condiciones resulta que la f.e.m. ER produce una corriente I con componentes activos en oposición a la fase con respecto al voltaje E y por lo tanto deriva potencia negativa.Sin este instante de tiempo negativo derivada de la potencia, la potencia positiva absorbe el equivalente, la ecuación vectorial que describe al motor en forma.

Por lo tanto el diagrama vectorial que se obtiene es el de la figura anterior

En estas condiciones el alternador gira en sentido del motor con velocidad síncrona y por esto es llamado motor síncrono.

6.6.1 OPERACIÓN CON DIFERENTES EXCITACIONES

En condiciones estables el motor síncrono depende del torque aplicado y el inducido f.e.m. E, que puede ser variado por la alimentación principal de la excitación de la máquina.El estudio de estabilidad de operación con un torque resistivo constante es posible empleando una representación vectorial cuando el voltaje en las terminales V es considerado constante porque este es impuesto por la alimentación principal, el componente activo de la corriente en fase con el voltaje V es constante por la potencia de salida por un periodo constante por el efecto de corriente de manifestación, la f.e.m. E inducida y cuando la fase con el voltaje varia.Esto es consecuencia de los dos, de la intensidad y de la fase desplazada, de la corriente absorbida cuando varía.

Cuando la potencia es constante el segmento A’C’, A’’C’’ y A’’’C’’’ pueden tener un cambio cuando la f.e.m. E varía. En los siguientes casos de operación resulta:a) Excitación correcta (E= E’)Para una excitación correcta la corriente absorbida es mínima, y es necesario preestabilizar una potencia constante.La corriente I de la fuente principal con cos= 1 y el motor trabaja en las máximas condiciones eléctricas de eficiencia.b) Baja excitación (E=E’’)Con una corriente de excitación baja que la corriente absorbida es mayor que la permitida, logrando un desgaste de la fase con respecto al voltaje V y cos1El motor absorbe, la potencia activa preestablecida y la potencia reactiva también.c) Sobre excitación (E=E’’’)Con una corriente de excitación mayor que la adecuada se observa una corriente I’’ que mayor que la mínima y que está fuera de fase con respecto al voltaje V y cos1El motor absorbe, la potencia activa preestablecida, y la potencia reactiva capacitiva.La relación entre la corriente absorbida I y la corriente de excitación IE se observa en el dibujo como una curva que muestra un valor constante de la potencia de salida: para este caso particular son llamadas curvas “V” o curvas de Mordey, esto se muestra en el siguiente diagrama.

Cuando la potencia P = 0 y se trabaja sin carga, el vértice de la curva V muestra en el eje de las abscisas una característica particular e interesante cuando el motor síncrono es usado con un factor de potencia capacitivo en su instalación. Una forma de hacer que el motor trabaje en sobre excitación consiste en el empleo de trabajarlo en presencia de cargas inductivas.La unión de los vértices de las curvas representa la operación cuando cos= 1 y marca los límites de operación entre la baja excitación y la sobreexcitación.Finalmente la curva V está limitada en el estado de baja excitación por un valor mínimo de f.e.m. E y también de una corriente de excitación IE , bajo estas condiciones el motor muestra estabilidad en su límite y pérdidas en el paso.