EL 4001 Conversión de la Energía y Sistemas Eléctricos

Transcripción

1 EL 4001 Conversión de la Energía y Sistemas Eléctricos Clase 17: Máquinas Sincrónicas 1 AREA DE ENERGIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA

2 Temas Introducción Estructura General Características Constructivas Funcionamiento del generador sincrónico Funcionamiento del motor sincrónico Circuito equivalente

3 INTRODUCCIÓN Todas las centrales tradicionales (térmicas, hidráulicas, nucleares) usan generadores sincrónicos. Uso en altas potencias, por ejemplo, generadores alcanzan 1800 MW Alimentación: Estator con C.A., rotor con CC. Uso como motores en aplicaciones industriales (aunque menos extendido que los motores de inducción). Por ejemplo los molinos SAG de la minería tienen una potencia [HP] (1 HP=746 [W]) a bajas revoluciones.

4 Estator Estructura General Embobinado Rotor Escobillas/ colectores Excitatríz - - V dc Embobinado Estator Anillos Deslizantes Corriente de rotor es CC

5 FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR SÍNCRONICO e(t) E max e(t) S N = t 2 t -E max En un generador monofásico, de rotor de imán permanente que gira a velocidad, la tensión generada en el estator, debida al flujo enlazado, es: con k constante de diseño. e t k B sen t E sen t max

6 Ubicando tres enrollados en el estator espaciados a 120º geométricos, resulta un generador trifásico con frecuencia eléctrica igual a la velocidad del eje.

7 FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR SÍNCRONICO La frecuencia y la velocidad de giro del eje la impone la red, además, dicha velocidad depende del número de polos: n 120 f RPM p La potencia mecánica aplicada al eje no variará la velocidad del rotor, sino que se transformará en potencia eléctrica hacia la red, cuyo factor de potencia dependerá de la corriente de excitación.

8 Estructura General Líneas de Campo Magnético fase B Va fase A fase C Fuente:PowerLearn

9 Estructura General t Estator Embobinado Rotor fase B - Escobillas fase A Embobinado Estator Anillos Deslizantes fase C Fuente:PowerLearn

10 Generador Sincrónico (I) Estructura General - Máquina eléctrica rotatoria --> Estator y Rotor - Estator: devanado consistente en espiras agrupadas en tres fases separadas por Rotor: espiras concentradas en torno a polos y alimentadas con corriente continua a través del colector - Formas constructivas: polos salientes (gran importancia para Chile), rotor cilíndrico estator polo saliente estator rotor Máquina de Polos Salientes Máquina de Rotor Cilíndrico Fuente:UNIDO

11 CARACTERÍSTICAS DE ESTATOR CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS De características muy similares al estator de la máquina de inducción. CARACTERÍSTICAS DE ROTOR Tres tipos: 1. De imanes permanentes: Evita el uso de anillos rozantes para alimentar al rotor. No se aplica a altas potencias. No se puede controlar el flujo magnético del rotor.

12 CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS Los rotores con enrollados de excitación son: 2. Rotor cilíndrico: De geometría simétrica. Inductancias mutuas del rotor y estator son constantes. 3. Rotor de polos salientes: De geometría asimétrica. Inductancias mas complejas de modelar.

13 FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR SÍNCRONICO -Rotor genera un campo rotatorio -> pasa al estator a través del entrehierro o separación de aire. - Al girar el rotor (campo) con velocidad n (rpm o rev/min) o velocidad angular ω m --> inducirán tensiones senoidales de frecuencia angular w (2f) en conductores de la armadura n m 60 Caso 1 par de polos n 60 f 60rpm Para f=50 Hz --> 3000 (rpm)!!! (máquinas hidráulicas operan en rango 150 a 500 rpm)

14 FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR SÍNCRONO - Solución --> incrementar número de pares de polos (p) utilizando el hecho de que: n rpm p m 2 p - Al considerar una carga trifásica conectado al devanado del estator --> circula una corriente de frecuencia f --> frecuencia de red y velocidad de giro relacionadas en forma fija. f p

15 FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR SÍNCRONO GENERADORES SÍNCRONOS Sus características constructivas dependen de la aplicación: Centrales hidroeléctricas: Máquinas de eje vertical. Rotor de polos salientes corto y de gran diámetro. Gran número de polos ( [RPM]). Centrales térmicas o de ciclo combinado: máquina de eje vertical. rotor cilíndrico largo y de poco diámetro. Usualmente de 2 polos. Velocidades de [RPM]

16 FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR SÍNCRONICO La f.m.m. del rotor (F r ) es constante y fija a él, lo que provoca que este campo magnético tienda a alinearse con el C.M.R. del estator, haciendo que el eje gire a velocidad síncrona. El torque instantáneo de la máquina: t K F F sen T e r donde K T es una constante de diseño y el ángulo entre las f.m.m. De la expresión de torque se concluye que: El torque medio existe, pues = cte. Se tiene un torque máximo para = 90º. Se requiere un mecanismo de arranque hasta la velocidad síncrona.

17 FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR SÍNCRONICO La característica torque-velocidad del motor es: T T max s -T max

18 FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR SÍNCRONICO MOTORES SÍNCRONOS Requiere de mecanismos adicionales para la partida: Máquina propulsora externa. Barras amortiguadoras: Principio del motor de inducción para la partida. Se colocan barras en las caras polares (similitud con jaula de ardilla). Barras amortiguadoras

19 CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS a c b a S r3 r r 3 2 r 4 N N c b a r 2 r 1 r 2 Rotor r 3 r 3 r 4 r 4 Estator b b b b c r 2 r 1 S a r r 4 1 b c Generadores de hasta 60 polos para 50 rpm a 50 hz r 1 c i exc c c b c a Conexión Serie de Bobinas en Máquina de 2 pares de polos a a a

20 Descripción matemática [ ] [ v] [ R]*[ i] Para el caso de un motor; donde [ ] [ L]*[ i] t Además debemos considerar la ecuación de troqué de la maquina torque torque 1 T [ L] *[ i] * *[ i] 2 inercia roce torque resistente inercia= W J * t mec Roce=combinación lineal de W mec, Torque resistente=depende de la carga y es función de W mec

21 Descripción matemática v a Ra * ia a ; vb t Rb * ib b ; t vc Rc * ic c ; t vf Rf * if f t ; El flujo enlazado por cada una de las bobinas esta dado por la multiplicación de la matriz de inductancias por el vector de corrientes a b c f Laa Lba Lca Lfa Lab Lbb Lcb Lfb Lac Lbc Lcc Lfc Laf ia Lbf ib * Lcf ic Lff if

22 MAQUINAS SINCRONAS (teoría y modelos) 3.1 ecuaciones de la maquina Definamos para calcular tanto las inductancias propias como las inductancias mutuas. Que la inductancia de una bobina esta dada por el flujo que enlaza la bobina debido a una corriente, mientras las corrientes de las otras bobinas son nulas. Y calculemos solo las inductancias referidas a la bobina a, pus los resultados son simétricos para las otras bobinas. Entonces: L jk i k j otras_ corrientes_ nulas Suponemos que todas las inductancias son iguales, constructivamente, y asociamos esto a la bobina a

23 Modelo Equivalente en Estado Estacionario - Para deducción de circuito equivalente es conveniente estudiar las relaciones de campo en separación de aire. - Tres campos principales desfasados temporalmente en 120º --> campo rotatorio en entrehierro a frecuencia f --> corresponde con velocidad de giro de la turbina. - Desfase entre campo rotatorio en estator y rotor (no existe velocidad relativa!!!). Angulo de potencia, de carga, de torque. - Simetría en construcción --> cada bobina supone una inductancia principal igual Lh y distribuida L. Como consecuencia de lo anterior se puede definir: L d L h L X X d h X Circuito Equivalente Trifásico y Monofásico Fuente:UNIDO