Existen dos tipos principales de máquinas síncronas que pueden actuar como motores y como generadores:

Transcripción

1 Máquinas síncronas Una máquina síncrona es una máquina AC en cuyo rotor existe un mecanismo capaz de producir un campo magnético de amplitud constante e independiente del campo magnético que pueda ser generado por la excitación externa de las bobinas del estator.

2 Existen dos tipos principales de máquinas síncronas que pueden actuar como motores y como generadores: a.- De imán permanente: el campo magnético del rotor es producido por un imán permanente (o un arreglo de imanes) colocados en el rotor. El campo magnético del rotor es fijo.

3 b.- De campo bobinado: el campo magnético del rotores producido por una bobina alimentada con corriente continua (un solenoide o electroimán) colocada en el rotor. La alimentación de la bobina se realiza mediante un circuito auxiliar con escobillas y anillos deslizantes en el eje del rotor, o mediante un transformador rotatorio (primario fijo en estator, secundario en el rotor) y un rectificador electrónico en el rotor. El campo magnético del rotor puede regularse en intensidad controlando el nivel de la corriente de excitación.

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6 Principio de operación de la máquina AC síncrona. Si en el rotor de la máquina existe un campo magnético constante, y el rotor se hace girar en la máquina, el vector espacial de la densidad de flujo en el entre-hierro producido por el campo del rotor resulta: B r (t) = ˆ B r θ m (t) Donde: ˆ B r es el pico positivo de la densidad de flujo θ m (t) es el ángulo entre la dirección del máximo y el eje de la máquina.

7 Esquema de la nteracción entre el campo del rotor y las bobinas de estator (izquierda) y diagrama vectorial correspondiente (derecha).

8 La interacción entre el vector espacial del flujo del rotor y los bobinados del estator induce una tensión en dichos bobinados. La amplitud de la tensión depende de la magnitud de la densidad de flujo, B ˆ r, y de la velocidad de giro del campo (la frecuencia angular de giro del rotor). La frecuencia de la tensión inducida depende de la frecuencia angular de giro del rotor y del número de pares de polos por fase del bobinado del estator.

9 Si la máquina eléctrica se emplea como motor y el movimiento del rotor se debe a la interacción entre el campo magnético de estator producido por las corrientes de el estator resultantes de las tensiones externas aplicadas al estator, entonces el campo del rotor estará sincronizado en frecuencia con el campo del estator, y el rotor girará a la frecuencia sincrónica de la máquina, que es la frecuencia de alimentación externa del estator dividida entre el número de pares de polos asociados con cada fase del estator.

10 Una máquina síncrona cuyo motor es hecho girar por una fuente de energía mecánica externa actúa como un generador; la amplitud de la tensión depende de la magnitud de la densidad de flujo, ˆ B r, y de la velocidad de giro del campo (la frecuencia angular de giro del rotor) y la frecuencia de la tensión inducida depende de la frecuencia angular de giro del rotor y del número de pares de polos por fase del bobinado del estator. Si el generador síncrono se conecta a un sistema AC energizado con otras fuentes, la frecuencia de giro del rotor debe ser sincronizada con la frecuencia AC del sistema (tomando en cuenta el número de pares de polos) para que pueda conectarse sin problemas y exista transferencia efectiva de energía.

11 El circuito equivalente unifilar de una máquina síncrona AC conectada a una fuente AC es: Circuito equivalente de la máquina síncrona conectada a una red AC (izquierda); diagrama fasorial de la conexión (derecha).

12 Las ecuaciones circuitales son: I ˆ E = ˆ 1 ˆ Z E 2 E ˆ 1 = E 1 e jδ ˆ E 2 = E 2 Z = R + jx = Z e jφ Z φ Z = tan 1 X R

13 De donde: ˆ I = Ie jφ = E 1 e jδ E 2 Z e jφ Z ˆ I = E 1 Z e j(δ φ Z ) E 2 Z e φ Z y, tomando la parte real: I cosφ Z = E 1 Z cos(δ φ Z ) E 2 Z cos( φ Z )

14 pero: cos( φ Z ) = cosφ Z = R Z luego: I cosφ Z = E 1 Z cos(δ φ Z ) E 2 R Z 2

15 La potencia entregada, P 2, es: P 2 = E 2 I cosφ P 2 = E 2 E 1 Z cos(δ φ Z ) E 2 si se considera: 2 R Z 2 α Z = 90º φ Z = tan 1 R X P 2 = E 2 E 1 Z sen(δ +α Z ) E 2 2 R Z 2

16 si además: R << Z Z X α Z 0 R 0 P 2 = E 2 E 1 X sen(δ)

17 Técnicas de control vectorial de motores AC síncronos.

18 1.-Control por Campo orientado. Esquema genérico del control vectorial de una máquina síncrona operada como fuente de par

19 Control Directo de Par (DTC) V k V k+1 V k+2 V k+3 V k+4 V k+5 V NULO λ e - T e?? Tabla para determinar el efecto esperado en el par y el flujo por la aplicación de un vector espacial determinado en el siguiente intervalo de control en función del vector espacial de tensión aplicado en el intervalo actual.

20 Vcc + - Tref + - Te λref + - e Z Tabla de Conmutación Estimador de Parámetros R e, Lx, Ly Estimador de Flujo y Par Sa Sb Sc Vcc ia ib Puente Inversor PMSM Esquema de control directo de par (DTC) con estimación de parámetros para una máquina síncrona