Funcionamiento y partes de las maquinas sincronas

Introducción

Las maquinas síncronas son dispositivos que transforman energía mecánica en energía eléctrica. En el primer caso trabajando como motores síncronos y en el segundo como generadores síncronos.

Por el contenido de la definición anterior se encuentra cierta semejanza con las máquinas de inducción, y aunque ciertamente la hay, también existen diferencias importantes como son:

·         La máquina síncrona se usa normalmente como generador y motor.

·         El generador síncrono puede trabajar aisladamente (como una planta de emergencia) o integrarse a un sistema finito.

·         La máquina síncrona no tiene deslizamiento y gira exactamente a la velocidad síncrona.

Las energías suelen medirse en la unidad de tiempo, o sea bajo el concepto de potencia.

La potencia eléctrica se expresa como:

Y la potencia mecánica como

En la figura aparece la primera representación de la maquina síncrona, en forma de diagrama de bloque. Cuando la energía fluye de izquierda a derecha, la maquina trabaja como motor, y cuando es de derecha a izquierda, como generador.

Principio de funcionamiento.

·         Motor sincrónico:

Ø  Rotor alimentado con corriente continua, entonces produce campo Bf estacionario con respecto al rotor.

Ø  Estator alimentado con corrientes trifásicas, entonces produce un campo giratorio a la velocidad.

w_Sinc: Velocidad a la que gira el campo del estator.

f : Frecuencia de las corrientes por el estator.

p : número de pares de polos.

El motor sincrónico desarrolla T_el≠0 cuando:

w_r= w_Sinc

w_r: Velocidad del rotor.

· El motor sincrónico no puede arrancar en forma autónoma.

·         Generador sincrónico:

o   Rotor alimentado con corriente continua a través de anillos deslizantes, entonces produce campo B_f.

o   Al girar el rotor impulsado por la máquina motriz entonces el campo B_f gira a la misma velocidad.

o   El campo giratorio B_f induce tensiones trifásicas en el estator con una frecuencia:

f : frecuencia de las tensiones inducidas en el estator.

w_r : velocidad de giro del rotor

p : número de pares de polos.

·         Al conectar carga trifásica circulan corrientes trifásicas por el devanado del estator, entonces aparece un campo giratorio de reacción del estator.

·         El campo giratorio producido por las corrientes del estator es el campo de reacción del inducido.

·       Devanado inductor (el que induce las tensiones) es el rotor.

·       Devanado inducido (donde se inducen las tensiones) es el estator.

·       El campo resultante es la suma del campo excitador producido por el rotor y del campo de reacción del inducido.

Características

• Los generadores sincronos son la fuente principal de energía actualmente en la industria eléctrica.
• Se construyen para aplicaciones industriales que exigen gran potencia, velocidad constante y pueden inyectar potencia y energia reactiva (capacitiva).

Un generador sincrónico tiene dos partes activas:

• Un rotor (devanado inductor concentrado o distribuido en ranuras) excitado por DC.
• Un estator (devanado inducido distribuido formando un arrollamieno trifásico), en el que se genera la fuerza electromotriz AC.
• En maquinas pequeñas <10kVA el devanado inductor está en el estator.
• En maquinas grandes que pueden llegar a 000 - 1500 MVA la colocación de los devanados es inversa.
• La manera en que las partes activas de una maquina sincronica se enfrian determinan su tamaño y su estructura.

Pasos de funcionamiento

1. La excitatriz alimenta CC al rotor.
2. El rotor crea un campo magnetico B=cte
3. El rotor gira a N rpm impulsado por la maquina motriz.
4. El campo magnético gira a la misma velocidad que el rotor.
5. El campo magnético induce tensiones en el estator con una frecuencia f=(p*N)/60
6. Al conectar una carga inducida circula corriente por el estator.
7. Se origina un campo giratorio resultante, es la suma de los 2 campos: del inductor y del inducido.
8. La tensión en bornes U del alternador es distinta de Ev debido a las caídas de tensión por las resistencias de lso devanados y por la reactancia sincrónica.

Fuentes de generación trifásicas

El generador sincrónico trifásico o alternador es la máquina que se utiliza en las centrales eléctricas (Turboalternador) o bien como sistema autónomo de generación.

Es una maquina compuesta por dos partes:

·         Una fija o estator, constituido por un paquete de chapas magnéticas conformando un cilindro con una serie de ranuras longitudinales, sobre las cuales están colocados conductores, conectados entre sí, de forma tal de crear un conjunto de bobinas.

·         Una parte móvil o rotor, ubicada dentro del estator y que consiste en un electroimán alimentado por corriente continua. El giro del rotor se produce mediante una maquina impulsora (Motor diesel, turbina de vapor, de gas, hidráulica, eólica), que mantiene una velocidad angular constante.

La alimentación del electroimán se logra a través de un par de anillos rozantes que permiten la continuidad eléctrica entre una parte fija y una parte móvil.

Los alternadores de cierta potencia cuentan con excitatriz, que es a su vez un generador de corriente alterna trifásico (Cuyo inductor está montado sobre el estator del alternador y el inducido sobre el rotor), en cuya salida se encuentra un rectificador trifásico, que alimenta el electroimán, con lo cual se evitan los anillos mencionados, que ocasionan perdidas en los mismos y desgaste de los carbones.

El esquema elemental de un generador sincrónico trifásico es el mostrado en la figura 

El esquema presenta solamente 6 ranuras, y sobre cada par de ranuras opuestas se colocan los lados de una bobina, cuyos principios y finales tienen la siguiente denominación:

Bobina 1: u1 – u2

Bobina 2: v1 – v2

Bobina 3: w1 – w2

En la figura 9.2 se ha esquematizado la bobina 1, donde se puede ver como están ubicados los conductores en las ranuras, siendo las otras dos bobinas idénticas, pero con sus ejes magnéticos, formando un ángulo de 120°, entre sí. Dado que el electroimán produce un flujo magnético [Φ] de valor constante, las bobinas concatenaran un valor de dicho flujo de acuerdo a la posición instantánea del rotor.

Partes que lo componen

Desde el punto de vista mecanico, la maquina sincrona consta como todas las maquinas rotatorias, e dos grandes conjuntos de piezas:

A) Estator.- abarca todo el grupo de partes inmoviles (o estáticas, de donde toma su nombre)
B) Rotor.- Abarca todo el grupo de piezas giratorias (o rotatorias, de donde toma su nombre)

Desde el punto de vista funcional también se pueden considerar por dos grupos de partes:

A) Circuito magnético,. Contiene todos los elementos del circuito magnetico perfectamente definidos como son:

-Fuente de fuerza magnetomotriz.- Es una bobina que se excita con corriente directa. En virtud de que es embobinado de la maquina que consume menos energia, se prefiere siempre montarlo en el rotor, ya que para alimentarlo requiere de escobillas y anillos de menor tamaño. se divide en tantas partes como polos tiene la maquina.