tema : la máquina síncrona universidad de tarapaca dpto. de electrónica
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Tema : La máquina síncrona
Tema : La máquina síncrona
Universidad de Tarapaca Universidad de Tarapaca
Dpto. de ElectrónicaDpto. de Electrónica
La máquina síncrona: La máquina síncrona: generalidades Igeneralidades I
La máquina síncrona utiliza La máquina síncrona utiliza un estator constituido por un estator constituido por
un devanado trifásico un devanado trifásico distribuido a 120º idéntico distribuido a 120º idéntico
a la máquina asíncronaa la máquina asíncrona
El rotor está El rotor está formado por un formado por un
devanado devanado alimentado desde alimentado desde
el exterior a través el exterior a través de escobillas y de escobillas y anillos rozantes anillos rozantes
mediante corriente mediante corriente continuacontinua
El rotor puede ser liso o de El rotor puede ser liso o de polos salientespolos salientes
Industrialmente es el generador utilizado en la mayoría Industrialmente es el generador utilizado en la mayoría de las centrales eléctricas: turboalternadores y grandes de las centrales eléctricas: turboalternadores y grandes
alternadores hidráulicosalternadores hidráulicos
Como motor se usa principalmente cuando la potencia Como motor se usa principalmente cuando la potencia demandada es muy elevada >1 MWdemandada es muy elevada >1 MW
La máquina síncrona: La máquina síncrona: generalidades IIgeneralidades II
N
S
Líneas decampo
Elevadas velocidades deElevadas velocidades degiro: turboalternadoresgiro: turboalternadoresElevadas velocidades deElevadas velocidades degiro: turboalternadoresgiro: turboalternadores
NNN
S
S
Sentido de lascorrientes por
el rotor
Velocidades de giro Velocidades de giro bajasbajas
Velocidades de giro Velocidades de giro bajasbajas
Rotor Rotor de de
polos polos salientesaliente
ss
Rotor Rotor de de
polos polos salientesaliente
ss
Rotor Rotor lisoliso
Rotor Rotor lisoliso
Motores síncronosMotores síncronos
Catálogos comercialesCatálogos comerciales
Generadores Generadores síncronos Isíncronos I
L. Serrano: Fundamentos L. Serrano: Fundamentos de máquinas eléctricas de máquinas eléctricas
rotativasrotativas
L. Serrano: Fundamentos L. Serrano: Fundamentos de máquinas eléctricas de máquinas eléctricas
rotativasrotativas
L. Serrano: L. Serrano: Fundamentos de Fundamentos de
máquinas eléctricas máquinas eléctricas rotativasrotativas
Generadores síncronos IIGeneradores síncronos II L. Serrano: Fundamentos L. Serrano: Fundamentos
de máquinas eléctricas de máquinas eléctricas rotativasrotativas
Mulukutla S. Sarma: Mulukutla S. Sarma: Electric machinesElectric machines
Corte transversal Corte transversal de una central de una central hidráulicahidráulica
RotoRotorr
Mulukutla S. Sarma: Mulukutla S. Sarma: Electric machinesElectric machines
ESTATOR= Devanado trifásicodistribuido alimentado con unsistema trifásico de tensiones
ESTATOR= Devanado trifásicodistribuido alimentado con unsistema trifásico de tensiones
ROTOR= Devanado alimentadocon corriente continua que creaun campo magnético fijo
ROTOR= Devanado alimentadocon corriente continua que creaun campo magnético fijo
CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIOCAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO
INTERACCIÓN ROTOR - ESTATORINTERACCIÓN ROTOR - ESTATOR
PAR MOTOR Y GIRO DE LA MÁQUINAPAR MOTOR Y GIRO DE LA MÁQUINAPAR MOTOR Y GIRO DE LA MÁQUINAPAR MOTOR Y GIRO DE LA MÁQUINA
Principio de Principio de funcionamiento: motorfuncionamiento: motor
EL ROTOR GIRA A LA EL ROTOR GIRA A LA MISMA VELOCIDAD MISMA VELOCIDAD
QUE EL CAMPO: QUE EL CAMPO: VELOCIDAD DE VELOCIDAD DE SINCRONISMOSINCRONISMO
Pf
NS
60
Pf
NS
60
Controlando la Controlando la excitación (tensión de excitación (tensión de
alimentación del alimentación del rotor) se consigue que rotor) se consigue que
la máquina trabaje la máquina trabaje con cualquier factor con cualquier factor de potencia: de potencia: PUEDE PUEDE ABSORBER O CEDER ABSORBER O CEDER
ESTATOR= Devanado trifásicodistribuido conectado a la carga
o red que se desea alimentar
ESTATOR= Devanado trifásicodistribuido conectado a la carga
o red que se desea alimentar
ROTOR= Devanado alimentadocon corriente continua que crea
un campo magnético fijo. Sehace girar por un medio externo
ROTOR= Devanado alimentadocon corriente continua que crea
un campo magnético fijo. Sehace girar por un medio externo
TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA EN ENERGÍA MECÁNICA EN ENERGÍA
ELÉCTRICAELÉCTRICA
TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA EN ENERGÍA MECÁNICA EN ENERGÍA
ELÉCTRICAELÉCTRICA
Principio de Principio de funcionamiento: generadorfuncionamiento: generador
Para conectar el Para conectar el generador a una red es generador a una red es necesario que gire a la necesario que gire a la
velocidad de sincronismo velocidad de sincronismo correspondiente a la correspondiente a la
frecuencia de dicha redfrecuencia de dicha redControlando la excitación Controlando la excitación (tensión de alimentación (tensión de alimentación
del rotor) se consigue que del rotor) se consigue que la máquina trabaje con la máquina trabaje con
cualquier factor de cualquier factor de potencia: potencia: PUEDE PUEDE
ABSORBER O CEDER QABSORBER O CEDER Q
El campo creado por el rotor, al girar, induce FEM en el estator y, por tanto,
hace circular corriente por la carga
El campo creado por el rotor, al girar, induce FEM en el estator y, por tanto,
hace circular corriente por la carga
60
NPf
60
NPf P=PARES DE POLOSP=PARES DE POLOS
N=VELOCIDAD DE N=VELOCIDAD DE GIROGIRO
Circuito equivalente (por Circuito equivalente (por fase) de la máquina fase) de la máquina
síncronasíncrona
La FEM E es proporcional a la corriente de excitación del rotor. La FEM E es proporcional a la corriente de excitación del rotor. En fun-cionamiento como generador representa a la tensión En fun-cionamiento como generador representa a la tensión
que se induce en el estator y en funcionamiento como motor a que se induce en el estator y en funcionamiento como motor a la fuerza contraelectro-motriz que es necesario la fuerza contraelectro-motriz que es necesario “vencer” “vencer” para para
que circule la corriente que alimenta al motorque circule la corriente que alimenta al motor
jXs Rs A
B
E
IM
+ V
jXs Rs A
B
E
IM
+ V
FuncionamientFuncionamiento como motoro como motor
jXs Rs A
B
E
IG
+ V
jXs Rs A
B
E
IG
+ V
FuncionamientFuncionamiento como o como generadorgenerador
Reactancia síncrona= reactancia Reactancia síncrona= reactancia dispersión estator+efecto de reacción dispersión estator+efecto de reacción
de inducidode inducido
Reactancia Reactancia síncronasíncrona
Resistencia Resistencia estatorestator
El generador síncrono en vacíoEl generador síncrono en vacíoReactancia Reactancia síncronasíncrona
jXs Rs A
B
E
IG
+ V
jXs Rs A
B
E
IG
+ V
FuncionamientFuncionamiento como o como generadorgenerador
Resistencia Resistencia estatorestator
500 1000 1500 2000
5
10
15
20 kV
Iexc (A)
18kV 390MVA 3000RPM
500 1000 1500 2000
5
10
15
20 kV
Iexc (A)
18kV 390MVA 3000RPM
Tensión en vacío VTensión en vacío V
Cuando el generador trabaja en Cuando el generador trabaja en vacío no hay caída de tensión: la vacío no hay caída de tensión: la tensión de salida coincide con la tensión de salida coincide con la
FEM EFEM E
NKE NKE VELOCIDAD VELOCIDAD DE GIRODE GIRO
FLUJOFLUJO PROPORCIONAL A PROPORCIONAL A IIEXCEXC
El generador síncrono en El generador síncrono en carga: reacción de inducido carga: reacción de inducido
IICuando el alternador trabaja en vacío Cuando el alternador trabaja en vacío el único flujo el único flujo
existenteexistente es el producido por la corriente continua de es el producido por la corriente continua de excitación del rotorexcitación del rotor
EEl flujo total de la l flujo total de la máquina se verá máquina se verá
disminuido o disminuido o aumentado aumentado
dependiendo que la dependiendo que la carga sea inductiva o carga sea inductiva o
capacitivacapacitiva
CCuando suministra corriente uando suministra corriente a una carga, dicha corriente a una carga, dicha corriente
produce un campo produce un campo magnético giratorio al magnético giratorio al
circular por los devanados circular por los devanados del estator. del estator.
Este campo produce un par Este campo produce un par opuesto al de giro de la opuesto al de giro de la
máquina, que es necesario máquina, que es necesario contrarrestar mediante la contrarrestar mediante la
aportación exterior de aportación exterior de potencia mecánica. potencia mecánica.
A este efecto creado A este efecto creado por el campo del por el campo del
estator se le conoce con estator se le conoce con el nombre de “el nombre de “reacción reacción
de inducido”de inducido”
jXs Rs A
B
E
IG
+ V
jXs Rs A
B
E
IG
+ V
FuncionamientFuncionamiento como o como generadorgenerador
FuncionamientFuncionamiento como o como generadorgenerador
CargaCarga
El generador síncrono en El generador síncrono en carga IIcarga II
U
U
U
I
I
I
RI
RI
RI
jXs
I
jXs
I
jXs
I
E
E
E
Carga resistiva
Carga Inductiva
Carga capacitiva
U
U
U
I
I
I
RI
RI
RI
jXs
I
jXs
I
jXs
I
E
E
E
Carga resistiva
Carga Inductiva
Carga capacitiva
PARA UNA MISMA TENSIÓN DE SALIDA PARA UNA MISMA TENSIÓN DE SALIDA EL GENERADOR PUEDE CEDER O EL GENERADOR PUEDE CEDER O ABSORBER POTENCIA REACTIVA ABSORBER POTENCIA REACTIVA
DEPENDIENDO DE QUE LA CARGA SEA DEPENDIENDO DE QUE LA CARGA SEA INDUCTIVA O CAPACITIVAINDUCTIVA O CAPACITIVA
Para conseguirlo basta modificar el Para conseguirlo basta modificar el valor de la E (modificando el campo de valor de la E (modificando el campo de
excitación)excitación)
El generador síncrono en El generador síncrono en carga: funcionamiento carga: funcionamiento
aisladoaisladoEL GENERADOR EL GENERADOR
ALIMENTA A UNA CARGA ALIMENTA A UNA CARGA DE FORMA DE FORMA
INDEPENDIENTEINDEPENDIENTE
FUNCIONAMIENTFUNCIONAMIENTO AISLADOO AISLADO
La tensión La tensión de de
alimentacióalimentación puede n puede variarvariar El factor de El factor de
potencia de la potencia de la carga es fijocarga es fijo
Aumento en Aumento en la la
excitaciónexcitación
Aumento en Aumento en la tensión la tensión de salidade salida
Aumento en Aumento en potencia potencia mecánicamecánica
Aumento en Aumento en la velocidad la velocidad
de girode giroAumento en Aumento en
la la frecuenciafrecuencia
El generador síncrono en El generador síncrono en carga: conexión a red de P. carga: conexión a red de P.
infinitainfinitaEL GENERADOR ESTÁ EL GENERADOR ESTÁ
CONECTADO A OTRA RED EN LA CONECTADO A OTRA RED EN LA QUE ACTÚAN OTROS QUE ACTÚAN OTROS
GENERADORES: SU POTENCIA GENERADORES: SU POTENCIA ES MUY PEQUEÑA RESPECTO DE ES MUY PEQUEÑA RESPECTO DE
LA TOTAL DE LA REDLA TOTAL DE LA RED
CONEXIÓN A RED CONEXIÓN A RED DE POTENCIA DE POTENCIA
INFINITAINFINITA
La tensión La tensión de de
alimentacióalimentación ESTÁ n ESTÁ
FIJADA POR FIJADA POR LA REDLA RED La frecuencia La frecuencia
ESTÁ FIJADA ESTÁ FIJADA POR LA REDPOR LA RED
Aumento en Aumento en la la
excitaciónexcitación
Aumento en Aumento en la la
POTENCIA POTENCIA REACTIVA REACTIVA
ENTREGADAENTREGADA
Aumento en Aumento en potencia potencia mecánicamecánica
Aumento de Aumento de la POTENCIA la POTENCIA
ACTIVA ACTIVA ENTREGADAENTREGADA
i U
1 2
3
RI
jXI
E
i U
1 2
3
RI
jXI
E SOBREXCITACIÓNSOBREXCITACIÓN
SUBEXCITACIÓNSUBEXCITACIÓNLA TENSIÓN LA TENSIÓN
U ESTÁ U ESTÁ FIJADA POR FIJADA POR
LA REDLA REDNORMALNORMAL
i U RI
jXI
3
E
i U RI
jXI
3
E
GENERADOR SUBEXCITADOGENERADOR SUBEXCITADO
i RI
jXI
2
E
U
i RI
jXI
2
E
U
GENERADOR GENERADOR SOBREXCITADSOBREXCITAD
OO
AUMENTO CORRIENTEAUMENTO CORRIENTE
AUMENTO DEL ÁNGULO AUMENTO DEL ÁNGULO AUMENTO CORRIENTEAUMENTO CORRIENTE
AUMENTO DEL ÁNGULO AUMENTO DEL ÁNGULO
AUMENTO DE LA AUMENTO DE LA POTENCIA POTENCIA REACTIVA REACTIVA
SUMINISTRADASUMINISTRADA
REDUCCIÓN DE LA REDUCCIÓN DE LA POTENCIA POTENCIA REACTIVA REACTIVA
SUMINISTRADASUMINISTRADA
Variación de la velocidad Variación de la velocidad en los motores síncronosen los motores síncronos
Motores Motores gran gran
potenciapotencia
INVERSOREINVERSORESS
CICLOCONVERTIDORECICLOCONVERTIDORESS
Motores Motores baja baja
potenciapotencia
UTILIZACIÓN UTILIZACIÓN DEDE
EQUIPOS EQUIPOS ELECTRÓNICOELECTRÓNICO
SS
El motor síncrono gira a la El motor síncrono gira a la velocidad de sincronismovelocidad de sincronismo
60*f/p60*f/p
PARA VARIAR LAPARA VARIAR LAVELOCIDAD ESVELOCIDAD ES
NECESARIO NECESARIO VARIARVARIAR
LA FRECUENCIALA FRECUENCIADE ALIMENTACIÓNDE ALIMENTACIÓN
APLICACIONES DE APLICACIONES DE ELEVA-DA POTENCIA ELEVA-DA POTENCIA (>1 MW): GRANDES (>1 MW): GRANDES MÁQUINAS (Soplantes, MÁQUINAS (Soplantes, compresores, etc.) Y compresores, etc.) Y PROPULSIÓN PROPULSIÓN ELÉCTRICA BUQUESELÉCTRICA BUQUES
T 4T 4 T 6 T 2
T 6 T 2
T 1 T 3 T 5
T 1 T 3 T 5
T 4
T 4 T 6 T 2
T 6 T 2
T 4T 4 T 6 T 2
T 6 T 2
T 1 T 3 T 5
T 1 T 3 T 5
T 4T 4 T 6 T 2
T 6 T 2
T 4T 4 T 6 T 2
T 6 T 2
T 1 T 3 T 5
T 1 T 3 T 5
T 4T 4 T 6 T 2
T 6 T 2
+
+
+
V RT 4 T 6 T 2
V TT 4 T 6 T 2
6 , 6 k V / 1 k V
6 , 6 k V / 1 k V
6 , 6 k V / 1 k V
6 , 6 k V5 0 H z
0 – 8 6 0 V0 – 1 7 H z
0 – 5 2 0 V0 – 6 0 0 A
D e v a n a d o d ee x c i t a c i ó n
M O T O RA S Í N C R O N O
T 4T 4 T 6 T 2
T 6 T 2
T 1 T 3 T 5
T 1 T 3 T 5
T 4
T 4 T 6 T 2
T 6 T 2
T 4T 4 T 6 T 2
T 6 T 2
T 1 T 3 T 5
T 1 T 3 T 5
T 4T 4 T 6 T 2
T 6 T 2
T 4T 4 T 6 T 2
T 6 T 2
T 1 T 3 T 5
T 1 T 3 T 5
T 4T 4 T 6 T 2
T 6 T 2
+
+
+
V RT 4 T 6 T 2
V TT 4 T 6 T 2
6 , 6 k V / 1 k V
6 , 6 k V / 1 k V
6 , 6 k V / 1 k V
6 , 6 k V5 0 H z
0 – 8 6 0 V0 – 1 7 H z
0 – 5 2 0 V0 – 6 0 0 A
D e v a n a d o d ee x c i t a c i ó n
M O T O RA S Í N C R O N O
Cicloconvertidor Cicloconvertidor fabricado por fabricado por ABB para el ABB para el control de control de motores motores
síncronos de síncronos de hasta 14 MWhasta 14 MW
CicloconvertidoresCicloconvertidores
Funcionamiento del Funcionamiento del cicloconvertidorcicloconvertidor
SISTEMA DE SISTEMA DE TENSIONES TENSIONES
TRIFÁSICO QUE TRIFÁSICO QUE ALIMENTA AL ALIMENTA AL
CICLOCONVERTIDORCICLOCONVERTIDOR(Frecuencia de red y (Frecuencia de red y amplitud constante)amplitud constante)
TENSIÓN RESULTANTE DE TENSIÓN RESULTANTE DE LA CONMUTACIÓN DEL LA CONMUTACIÓN DEL CICLOCONVERTIDORCICLOCONVERTIDOR(Frecuencia y amplitud (Frecuencia y amplitud
variables)variables)
M/S FANTASY
Planta generador
a
Planta generador
a
Motorestransversal
es
Motorestransversal
es
Planta generadora:• 4 Generadores síncronos de 10,3 MVA• 2 Generadores síncronos de 6,8 MVA• Tensión=6,6 kV
Planta generadora:• 4 Generadores síncronos de 10,3 MVA• 2 Generadores síncronos de 6,8 MVA• Tensión=6,6 kV
Motores:• Síncronos de doble devanado controlados con cicloconvertidores • 2 Motores principales de 14 MW refrigerados por agua• 6 Motores transversales de 1,5 MW
Motores:• Síncronos de doble devanado controlados con cicloconvertidores • 2 Motores principales de 14 MW refrigerados por agua• 6 Motores transversales de 1,5 MW
Tipo de propulsión:• Diesel-eléctrica• 4 Motores principales• 2 Motores auxiliares• Hélices de paso variable
Tipo de propulsión:• Diesel-eléctrica• 4 Motores principales• 2 Motores auxiliares• Hélices de paso variable
Motorestransversale
s
Motorestransversale
s
PROPULSIÓN ELÉCTRICACatálogos comercialesCatálogos comerciales