UNIVERSIDAD SIMON BOLIVAR Departamento de Conversión y Transporte de Energía Sección de Máquinas Eléctricas Prof. E. Daron B.

Transcripción

1 DIAGRAMA CIRCULAR DE LA MAQUINA Hoja Nº II-074 SINCRONICA DE ROTOR LISO Para corriente de excitación constante, el extremos A del fasor I describe una circunferencia, cuando el ángulo de carga varía desde 0 hasta 2π El diámetro de la circunferencia, para permeabilidad del hierro constante, está indicado a continuación para tres corrientes de excitación distintas. La circunferencia con el radio MO corresponde a la excitación en vacío

2 DIAGRAMA CIRCULAR DE LA MAQUINA Hoja Nº II-075 SINCRONICA DE ROTOR LISO Para el estado de operación caracterizado por el punto B, la componente activa I a de la corriente de armadura I está en fase con la tensión V.La máquina genera potencia activa y el ángulo de carga correspondiente es positivo. Esto es válido para todo punto por encima del eje imaginario. Por ello, encima del eje imaginario se tiene el régimen como GENERADOR y por debajo, el régimen como MOTOR. Si se mantiene constante la potencia mecánica y con ella el Par y se varía la excitación, entonces el extremo del fasor I se desplaza sobre la recta de líneas interrumpidas, que corresponde a puntos de componente activa de la corriente de armadura constante.

3 DIAGRAMA CIRCULAR DE LA MAQUINA Hoja Nº II-076 SINCRONICA DE ROTOR LISO En la práctica, los posibles estados de operación están limitados por la corriente de armadura (límite térmico del arrollado del estator I max = I N ), la corriente de excitación (límite térmico del arrollado de excitación I fmax = I fn ). Además se tiene el ángulo de carga máximo permisible (teóricamente δ max = 90 ), que en la práctica no supera los 70, y la potencia máxima de accionamiento (Potencia activa nominal). Además existen limitaciones en cuanto a la corriente mínima de excitación permitida. Los diagramas circulares de turbogeneradores modernos no son circunferencias perfectas debido a la saturación magnética del hierro. Además la existencia de profundas ranuras en el rotor, donde va colocado el arrollado de excitación, las cuales ocupan únicamente 2/3 de la periferia, tiene como consecuencia que el entrehierro efectivo no es totalmente constante a lo largo de la periferia.

4 INFLUENCIA DE LA SATURACION MAGNETICA EN LA Hoja Nº II-077 MAQUINA SINCRONICA DE ROTOR LISO En máquinas modernas, de alto grado de utilización, la tensión magnética en el entrehierro juega un papel determinante. La reactancia magnetizante del circuito equivalente depende de la saturación del hierro, la cual a su vez varía con la carga. Para un estado de operación determinado, las reactancias pueden ser obtenidas con ayuda de la característica en vacío y el diagrama fasorial. Característica en vacío: Como característica en vacío se define la relación entre la tensión V del estator y la corriente de excitación I f, para el caso de que la corriente de armadura sea cero (I = 0) y el rotor gire a la velocidad sincrónica n 0. La característica en vacío está representada en la figura. Al mismo tiempo, en líneas interrumpidas está representada la relación entre V e I f que se obtendría para hierro no saturado.

5 INFLUENCIA DE LA SATURACION MAGNETICA EN LA Hoja Nº II-078 MAQUINA SINCRONICA DE ROTOR LISO Para el circuito equivalente, valen las siguientes expresiones: E r = (R 1 + jx 1 ).I + V E r = - j.ω.n 1.K T1.Φ r, Φ r = f(i 0 ) con I 0 = I f + I ó Φ r = f(fmm 0 ) con FMM 0 = FMM f + FMM 1 Si se supone que el flujo rotante Φ r depende en forma lineal de la corriente de excitación I 0, se puede escribir en forma simplificada: E r = - j.x 1m.I f - j.x 1m.I Con la definición E p = -j.x 1m.I se obtiene E r = E p j.x 1m.I La reactancia magnetizante X 1m en el circuito equivalente es por lo tanto una expresión para la parte del flujo en el entrehierro originado por la corriente del estator I. De la misma forma, E p es una medida del flujo rotante originado por el arrollado de excitación en el entrehierro. La suma de ambos flujos proporciona E r. Esta superposición de flujos supone sin embargo una dependencia lineal entre la FMM y el flujo magnético. Esta linealidad en general no se cumple, debido a la saturación del hierro. El circuito equivalente es por tanto solamente una aproximación.

6 INFLUENCIA DE LA SATURACION MAGNETICA Hoja Nº II-079 El diagrama fasorial representa el caso de un generador suministrando potencia reactiva inductiva. La tensión E p es originada por el campo rotante del rotor y la tensión E m = jx 1m.I por el campo rotante del estator. E r es por lo tanto la tensión originada por el campo resultante del entrehierro. Para la máquina sincrónica cargada es en general es en general E r E p. El si E r es menor o mayor que E p, depende del tipo de carga. En el caso de una carga inductiva, tal como está representado en el diagrama fasorial, E r es menor que E p. Evidentemente, las corrientes en el estator originan un campo rotante, que debilita el campo de la rueda polar. Es estos casos de carga, el campo resultante es menor que el campo de la rueda polar. La influencia de las corrientes del estator sobre el campo resultante se designa por reacción de armadura. El único campo en el entrehierro realmente existente, es el campo resultante. Por lo tanto, únicamente la magnitud E r posee un significado físico, mientras que E p es una tensión ficticia y con ello una magnitud de calculo únicamente. Determinante para la saturación del hierro, es por tanto E r. Para dibujar el diagrama fasorial de la máquina bajo carga, hemos supuesto hasta ahora, que se conoce el estado de saturación de la máquina y con ello X m. Veremos ahora, de qué forma puede determinarse el diagrama fasorial sin esta suposición, con ayuda de la característica en vacío. Para ello, consideremos el diagrama fasorial para un generador, donde la secuencia de la construcción se indica con números enmarcados en un círculo. (II-080). Como los campos de fuga o dispersión se cierran en su mayor parte a través del aire, puede considerarse para los casos de carga normales de la máquina, la reactancia de fuga como independiente de la saturación magnética. X 1 es por tanto una constante.

7 INFLUENCIA DE LA SATURACIÓN MAGNETICA Hoja Nº II-079 El diagrama fasorial puede ser trazado por lo tanto sin problema alguno hasta el fasor E r. De II-078 E = jx. I' p 1m f E r = jx1 m.( I + I' f ) I + I' I con f = 0 I 0 es la corriente magnetizante. Para la determinación de I.X 1m, se hace uso de una característica de vacío linealizada. E r = j X m. I 0

8 INFLUENCIA DE LA SATURACIÓN MAGNETICA Hoja Nº II-080 Secuencia de la construcción del Diagrama Fasorial a partir de la característica en vacío (II-077)

9 INFLUENCIA DE LA SATURACIÓN MAGNETICA Hoja Nº II-082 Con ayuda de la característica en vacío, conociendo E r, es posible determinar I 0. I 0 puede ser llevado ahora al diagrama fasorial, adelantado 90º con respecto a E r. Como I + I f = I 0, estando fijado el fasor I, lo estará ahora también el fasor I f. Estando la tensión polar E p en 90º en retraso respecto a I f, también la dirección de E p será conocida.

10 INFLUENCIA DE LA SATURACIÓN MAGNETICA Hoja Nº II-083 La saturación del hierro viene determinada por E r, de manera qua para el estado de operación correspondiente, las tensiones inducidas E P y E m deben estar en la característica de vacío sobre la recta que pasa por O y A. Ya que la característica en vacío real ha de sustituirse por la recta OA, el cálculo se hace en base a una permeabilidad constante, en donde A fija el valor de la permeabilidad. Resumen: La reacción de armadura significa físicamente la influencia de las corrientes del estator sobre el campo en el entrehierro. Esta influencia determina fuertemente el comportamiento de la maquina sincrónica. La reacción de armadura puede ser expresada en dos formas, completamente diferentes: Mediante una capa ampérica ficticia sobre el rotor, la cual es igual a la capa ampérica del estator. Mediante la caída de la tensión en la reactancia magnetizante X m por las corrientes del estator.