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Sistemas Elctricos de Potencia

Unidad III

"GENERADORES"1. GENERALIDADES Los generadores sncrono, son los encargados de transformar la energa mecnica en energa elctrica. Estas mquinas estn constituidas de circuitos magnticos y circuitos elctricos. El circuito magntico lo constituyen el ncleo del estator, el ncleo del rotor, el entrehierro, el devanado trifsico y el devanado de campo. (Devanado de excitacin)

U

Figura 3.1 Circuito magntico.

El rotor del generador va acoplado a la turbina (motor primo), entregndole este la potencia mecnica necesaria (a una velocidad constante), que ser convertida a potencia elctrica. El medio que se emplea para el proceso de conversin de la energa es el campo magntico. Este campo es creado producto de la corriente de excitacin en el arrollamiento del rotor, y gira a la velocidad del rotor induciendo una tensin alterna trifsica en el devanado del estator. La frecuencia de la tensin inducida en el estator, depende de la velocidad en forma directa; quiere decir que a mayor velocidad del rotor, mayor es la frecuencia de la tensin generada.45


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A1

A2IF

A3UF ROTOR ESTATOR CARGAFigura 3.2 Circuito de campo y circuito del estator.

En otras palabras, se tienen dos circuitos elctricos, uno de corriente continua en el rotor, llamado circuito de campo y otro trifsico en el estator. El primero es de baja potencia y de baja tensin, en cambio el segundo es el que maneja gran potencia a tensiones elevadas del orden de las decenas de kV. Los generadores sncronos se pueden clasificar de acuerdo a la forma de sus rotores en: Generadores de polos salientes. Generadores de polos lisos. 1.1 GENERADORES DE POLOS LISOS Este tipo de generadores es de dos o cuatro polos, movidos por turbinas de alta velocidad, de all que se les conozca como turboalternadores. El rotor presenta un dimetro de menor longitud que la longitud axial. El entrehierro es uniforme, por lo que reactancia de la mquina se considera uniforme, e igual a la reactancia directa (Xd).

Figura 3.3 Rotor de polos lisos.

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1.2

GENERADORES DE POLOS SALIENTES Los rotores son de gran cantidad de polos, movidos por turbinas hidrulicas que giran a bajas velocidades. El rotor se caracteriza por presentar un entrehierro no uniforme, asimismo el dimetro del rotor es mayor que la longitud axial, tal como se muestra en la figura siguiente.

Figura 3.4 Rotor de polos salientes.

La lnea que pasa por el eje magntico se le conoce como eje directo, y a la lnea imaginaria que pasa perpendicularmente al eje magntico se le conoce como eje de cuadratura. Como el entrehierro no es uniforme se tienen dos reactancias, conocidas como reactancia de eje directo (Xd) y reactancia de eje de cuadratura (Xq).q

d

Figura 3.5. Eje directo y eje de cuadratura.

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2.

TENSIN GENERADA Si se incrementa la corriente de excitacin, el flujo magntico principal se incrementa, de tal manera que la tensin generada tambin de incrementa. Cabe recordar que la caracterstica magntica del ncleo magntico no es lineal, por lo tanto no existe una relacin lineal entre la corriente de excitacin y el flujo magntico, tal como se muestra en la figura mostrada a continuacin. En ella apreciamos que se presentan tres zonas, ellas son: La zona lineal. La zona del codo de saturacin. La zona saturada.E GP (V)

ER

I F (A)

Figura 3.6 Caracterstica de magnetizacin del ncleo magntico.

Un incremento del flujo lleva a un incremento de la tensin generada en forma proporcional.

EGP As mismo, si se incrementa la velocidad de giro, se incrementa la tensin generada en forma proporcional.

EGP nLa tensin generada, depende del nmero de polos, del nmero de espiras, del tamao del generador, etc. En otras palabras del aspecto constructivo de la mquina, pero estas caractersticas son fijas, constantes, por lo tanto podemos concluir: La tensin generada en el devanado del estator (devanado del inducido), depende del flujo magntico principal, de la velocidad y del aspecto constructivo de la mquina.48

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EGP = K n Asimismo, cabe recalcar que la frecuencia de esta tensin generada, depende de la velocidad, y del nmero de polos de la mquina. Dicha frecuencia se puede determinar mediante la siguiente relacin:

f =Donde: f= n= = p= IF EGP K

n p 120

(2)

frecuencia de la red (Hz). velocidad de giro en r.p.m. flujo magntico principal (Wb) nmero de polos de la mquina. = Corriente de campo (A). = tensin generada por fase (V o KV). = constante que depende del aspecto constructivo de la mquina.

Vns

R S T

t

T

Figura 3.7 (a) Campo magntico principal giratorio. (b) Perodo de la onda sinusoidal de tensin generada.

Notamos de la ltima relacin, que a mayor nmero de polos, menor deber ser la velocidad, para obtener la misma frecuencia. Representacin fasorial Como sabemos toda, onda sinusoidal puede ser representado por un vector gitorio, cuya magnitud es el valor eficaz, a dicho vector se le conoce como FASOR. Por lo tanto, fasorialmente la tensin generada y el flujo principal se pueden representar de la siguiente manera.

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IF

EGP

Figura 3.8 Representacin Fasorial.

El flujo principal (creado por el circuito de excitacin) y la tensin inducida en el devanado de armadura (EGP) se encuentran en cuadratura, como se muestra en la figura anterior. La tensin trifsica que se genera presenta un desfasaje de 120 elctricos entre s. Idealmente podramos representar al generador sncrono como una fuente trifsica, como se muestra a continuacin.

R

N S TFigura 3.9 Fuente trifsica.

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UR

US

UT

Figura 3.10 Ondas sinusoidales trifsicas de tensin.

Fasorialmente la tensin trifsica se puede representar de la siguiente forma:

UT

120 120 120

UR

USFigura 3.11 Representacin fasorial de la tensin trifsica

2.1

CADA DE TENSIN INTERNA: Cabe indicar que no toda el flujo creado por el devanado de campo se concatena completamente en el circuito del estator, si no que parte se pierde a travs del aire. Esa prdida de flujo, se traduce en un decremento de la tensin generada. As mismo cuando se conecta una carga a los terminales del generador, circula corriente por el devanado de armadura, creando este devanado un flujo que reaccionar sobre el campo principal. Este flujo de reaccin de armadura, depende del tipo de carga (resistivo, inductivo o capacitivo) creando magnetizacin o desmagnetizacin del generador. La suma de estos dos efectos, se puede representar en un circuito equivalente por una reactancia. A dicha reactancia se le conoce con el51


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nombre reactancia sncrona (XS). Por ser un elemento pasivo la resistencia propia del devanado de armadura, tambin provoca cada de tensin y se representa en el circuito equivalente por un resistor. 2.2 CIRCUITO EQUIVALENTE MONOFSICO. En el anlisis de los sistemas elctricos de potencia se pretende utilizar un modelo de circuito equivalente que represente las caractersticas externas del generador con suficiente exactitud. En el caso de una mquina sncrona de rotor cilndrico, esta puede ser representada en condicin de estado estable (estado estacionario), por el modelo de la figura siguiente, donde se tiene en consideracin la tensin generada y los efectos de cadas de tensin (circuito equivalente monofsico).

IA

RA

XS

IL

IF UEXC

EGP

UTP

ZL

EGP = K n Figura 3.12 Circuito equivalente monofsico

Donde: EGP UTP RA XS IA IL IF UEXC n : : : : : : : : : : Tensin generada por fase. Tensin en terminales por fase. Resistencia de armadura. Reactancia sncrona. Corriente de armadura. Corriente de lnea. Corriente de excitacin. Tensin de excitacin. Velocidad de rotacin, igual a la velocidad sncrona (nS). Flujo principal (flujo de campo)

Como se indica en la ltima relacin, la tensin generada por fase (EGP), depende del flujo magntico (), de la velocidad de rotacin (n) y de los parmetros constructivos de la mquina. (K) Aplicando la 2da. Ley de Kirchhoff, tenemos en el circuito equivalente monofsico tenemos:

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E = TP IAR+IAX GP U + A S

(3)

La impedancia sncrona, tiene dos componentes, uno es la resistencia de armadura (RA) y el otro es la reactancia sncrona (Xs) Entonces:ZS

= R

A

+ jX

S

(4)

Zs

Xs

RA

Figura 3.13 Impedancia sncrona.

Por lo tanto, de (3):

EGP = U TP + I A Z SFasorialmente se tiene:

(5)

EGP

I UTP

IZ

S

IR

A

Figura 3.14 Diagrama Fasorial de Corriente y Tensiones de un Generador.

La cada de tensin interna est dada por: I.ZS Como, XS >> RA, entonces se suele aproximar la impedancia sncrona a la reactancia sncrona: XS ZS53

IX

S


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En consecuencia:

EGP = UTP + I A X S

(6)

Para fines de sistemas de potencia, sta aproximacin es muy empleada Cabe indicar, de la figura 14, que al ngulo () entre los factores de tensin EGP y UTP, se le conoce con el nombre de ngulo de potencia. 3. ECUACIN DE POTENCIA ANGULO Del diagrama anterior notamos que:

Ix S Cos = Egp I Cos =

Sen

Egp Sen Xs3 U L , obtendremos:

Multiplicando a ambos miembros por

3 U L I Cos =

U L UL Xs

Sen U tp Eg Xs

( )

de ( )

P= 3 3

SenEcuacin Potencia Angulo

P=3

Utp Eg XS

Sen

De () tambin se demuestra que:

P=

U L Eg XS

Sen

La diferencia entre las ltimas relaciones estriba que en la primera se tiene valores de fase y en la segunda valores de lnea para la tensin.

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PdP mx

0

90

180

Figura 3.15 Curva de la ecuacin potencia ngulo

El ngulo de potencia () debe de ser menor o igual a 90 (en mdulo)

90o 90oCuando >O, entonces a mquina sncrona opera como generador y cuando < O opera como motor. En otras palabras:

Positivo cuando, se entrega potencia (generador)

=

Negativo cuando, se recibe potencia

(motor)

EGP

Ia

UTP

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Ia X

S


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Ia

UTPI aX S

EGP(a) Egp = Utp + I a X S

(b) Utp = Egp + I a X SFigura 3.16 Diagrama fasorial de la operacin (a) como generador y (b) como motor

4.

OPERACIN CON CARGA La reaccin de armadura de un generador con carga depende de dos factores: Uno es la magnitud de la carga. A mayor carga (mayor corriente), mayor es la reaccin de armadura. Tambin depende del tipo de carga, si este es registro, inductivo o capacitivo.

IA

RA

XS

IL

IF UEXC

EGP

UTP

ZL

EGP = K n Figura 3.17 Equivalente monofsico

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Carga Resistiva Pura

EGP

= 0

Ia

UTP

Figura 3.18 Diagrama fasorial con una carga resistiva

Regulacin de Tensin Es la cada de tensin interna en el generador producto de la carga y expresada como un porcentaje de la tensin de plena carga. Egp U tp U reg % = Ut p x 100

Como Epg > Utp, entonces la regulacin de tensin (Ureg%) es positiva. Carga inductiva Para una carga resistiva inductiva

IaXS

EGP

Ia

UTP

Figura 3.19 Diagrama fasorial con carga inductiva

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Ia X

S


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Notamos que Egp - Utp, es mayor que el caso anterior, esto debido a las cargas inductivas son ms desmagnetizantes que las cargas resistivas. Carga Inductiva Pura Como Ra

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