GENERADORES SINCRÓNICOS:

Concepto:

Los generadores sincrónicos o alternadores es un aparato que convierte la potencia mecánica de un motor primario en potencia eléctrica de ca a un voltaje y frecuencia específicos.

Características:

El voltaje generado internamente en la máquina depende de la velocidad de rotación de su eje y de la magnitud del flujo de campo.

El voltaje de fase se diferencia del voltaje generado internamente en los efectos de reacción del inducido del generador y también por la resistencia y la reactancia internas de los embobinados del inducido.

El voltaje de los bornes del generador será, o bien igual al voltaje de fase, o bien relacionado con ella por medio de √3, dependiendo de sí la máquina está conectada en ∆ o en Y.

La manera como trabaja un generador sincrónico, en un sistema de potencia real, depende de las limitaciones que se le impongan. Cuando un generador trabaja aisladamente, las potencias real y reactiva que deben entregarse son determinadas por la carga que se les asigne y por las marcaciones del gobernador y la corriente de campo que son las que controlan la frecuencia y el voltaje terminal, respectivamente. Cuando el generador se conecta con un barraje infinito, su frecuencia y voltaje son fijos, de tal manera que las marcaciones del gobernador y la corriente de campo controlan los flujos de las potencias real y reactiva del generador. En los sistemas reales que emplean generadores de tamaños aproximadamente iguales, las marcaciones del gobernador afectan tanto el flujo de la frecuencia como al de la potencia y la corriente de campo afecta tanto la tensión en los bornes, como el flujo de potencia reactiva.

La capacidad de un generador sincrónico para producir potencia eléctrica está limitada primordialmente por el calentamiento dentro de la máquina. Cuando los embobinados se recalientan, la vida de la máquina se ve seriamente comprometida. Como hay dos embobinados diferentes (de inducido y de campo), hay dos limitaciones distintas en el generador: el calentamiento máximo permitido de los embobinados del inducido determina los kilovoltiamperios máximos permitidos por la máquina y el calentamiento máximo permitido en los embobinados de campo determina el tamaño máximo de EA. El tamaño máximo de EA y de IA, conjuntamente, determinan el factor de potencia nominal del generador.

Circuito equivalente:

En el circuito mostrado anteriormente el voltaje EA es el voltaje generado internamente que se produce en una fase de generador sincrónico. Sin embargo, este voltaje EA no es, generalmente, el voltaje que aparece en los terminales del generador. La única vez que el voltaje interno EA es el mismo voltaje de salida Vφ por una fase, es cuando no hay corriente del inducido que le llegue a la máquina.

Hay numerosos factores que causa la diferencia entre EA y Vφ:

La distorsión del campo magnético del entrehierro de aire por la corriente que fluye en el estator, llamada reacción de inducido.

La autoinductancia de las bobinas del inducido.

El efecto de las formas de onda del rotor de polos salientes.

El voltaje en una fase es: Vφ = EA - jXIA que se obtiene por la Ley del Voltaje de Kirchhoff. Esta ecuación describe la tensión de reacción del inducido. Por tanto, esta se puede representar como un inductor en serie con la tensión generada internamente. Además de los efectos de la reacción del inducido, las bobinas del estator tienen también una autoinductancia y una resistencia. Si la autoinductancia del estator se denomina LA, (y su correspondiente resistencia XA) y la resistencia del estator RA entonces la diferencia entre EA y Vφ se obtiene mediante la expresión

Vφ = EA - jXIA - jXAIA - RAIA.

Los efectos de la reacción del inducido y la autoinductancia en la máquina se representan ambos por reactancias y se acostumbra a combinarlas en una sola reactancia conocida como reactancia sincrónica de la máquina: XS = X + XA

Por tanto la ecuación final que describe Vφ = EA - jXSIA - RAIA.

Ahora es posible dibujar un circuito equivalente de un generador sincrónico trifásico:

Estas tres fases pueden conectarse en Y o en Δ, la cual si se conectan en Y, la tensión en los bornes VT se relaciona con el voltaje de fase Vφ por: VT = √3.Vφ. Si se conecta en Δ entonces VT = Vφ.

El hecho de que las tres fases del generador sincrónico sean idénticas en todo, menos en el ángulo de fase, lleva normalmente al empleo de un circuito equivalente por fase.

Usos:

Los sistemas eléctricos de potencia están constituidos por la interconexión de un gran número de generadores sincrónicos que trabajan en paralelo, interconectados mediante líneas de transmisión, y que suministran energía a gran número de cargas ampliamente distribuidas.

Cuando su tamaño es grande, son los generadores que producen energía eléctrica que se emplean en las casas e industrias.

Los generadores pequeños de ca se emplean para proporcionar energía eléctrica de urgencia.

El generador trifásico entrega un suministro de energía más estable, por esta razón, se emplean para equipos de gran capacidad que operan a voltajes de 208 voltios o más. Entre estos equipos se incluyen grandes motores, máquinas de soldar, unidades calefactoras, estufas y casi todas las líneas de distribución de energía.

MOTORES SINCRÓNICOS:

Concepto:

Los motores sincrónicos son máquinas sincrónicas que se utilizan para convertir potencia eléctrica en potencia mecánica.

Características:

Un motor sincrónico es físicamente la misma máquina que un generador sincrónico con la sola excepción de que la dirección del flujo de potencia es contraria.

Puesto que los motores sincrónicos se conectan generalmente a los sistemas de potencia que contienen generadores mucho más grandes que los motores, la frecuencia y la tensión en los bornes de un motor sincrónico son fijas.

La velocidad de un motor sincrónico es constante, desde el vacío hasta la máxima carga posible en el motor.

Si la corriente de campo de un motor sincrónico varía, mientras su carga sobre el eje permanece constante, entonces la potencia reactiva entregada o absorbida por el motor variará.

Un motor sincrónico no tienen momento de arranque neto y por ello no puede arrancar por sí mismo, lo cual debe ser implementado de otra manera.

Si el motor tiene embobinados amortiguadores, éstos aumentarán la estabilidad del motor durante las variaciones transitorias de la carga.

Circuito equivalente:

Un motor sincrónico es lo mismo que un generador sincrónico en todos sus aspectos, con la diferencia que la dirección del flujo de potencia tiene sentido contrario. Debido a esto, es previsible esperar que la dirección del flujo de corriente en el estator del motor también tenga sentido contrario. Por consiguiente el circuito equivalente de un motor sincrónico es exactamente lo mismo que el circuito equivalente de un generador sincrónico, excepto porque la dirección de referencia de IA se invierte. El circuito equivalente resultante puede verse en la siguiente figura:

El circuito equivalente por fase puede observarse en la siguiente figura:

Como antes, las tres fases del circuito equivalente pueden estar conectadas en Y o en Δ.

Por el cambio de IA, la ecuación de la Ley del Voltaje de Kirchhoff para el circuito equivalente también cambia, lo cual se tiene: Vφ = EA + jXSIA + RAIA.

Usos:

Cuando se usa solo para regular el factor de potencia y ninguna carga mecánica acoplada, se denomina condensador sincrónico; esta es una propiedad muy importante del motor sincrónico, porque las multas debidas a factores de potencia bajos llegan a constituir una parte considerable del importe de la energía si se descuida el factor de potencia.

También es importante, en ciertas aplicaciones muy especiales, el hecho de que la velocidad de un motor sincrónico es por completo independiente tanto de la carga como de la tensión.

MOTORES DE INDUCCIÓN:

Concepto:

Los motores de inducción son máquinas que sólo tienen embobinados amortiguadores; esto es porque el voltaje del rotor es inducido en el embobinado del rotor, en lugar de conectarse físicamente por medio de conductores.

Características:

No se necesita corriente de campo de CC para poner a funcionar la máquina.

No tiene un circuito de campo separado; más bien, depende de la acción transformadora para inducir voltajes y corrientes en su circuito de campo.

Su circuito equivalente es similar al del transformador, excepto por los efectos de la velocidad variable.

Funciona normalmente a una velocidad cercana a la velocidad sincrónica, pero nunca puede funcionar exactamente a la velocidad sincrónica.

el deslizamiento o velocidad a la cual ocurre el momento de torsión máxima puede controlarse por medio de la variación de la resistencia del rotor.

Siempre debe haber algún movimiento relativo par inducir el voltaje en el circuito de campo del motor de inducción.

El voltaje del rotor inducido por el movimiento relativo entre el campo magnético del rotor y el estator, produce una corriente en el rotor y esta interactúa con el campo magnético del estator par producir el momento de torsión inducido en el motor.

Hay dos tipos de rotores de motores de inducción, que se pueden colocar dentro del estator. A uno se le llama Rotor de Jaula de Ardilla o simplemente Rotor de Jaula, mientras que el otro se llama Rotor Devanado.

Circuito equivalente:

Un motor de inducción depende de su funcionamiento de que el circuito del estator induzca voltajes y corrientes en el circuito del rotor. Puesto que la inducción de voltajes y corrientes en el circuito del rotor de un motor de inducción es, una operación de transformación, el circuito equivalente de un motor de inducción, terminará por ser similar al de un transformador.

En la siguiente figura se observa el circuito equivalente por fase de un transformador, que representa el funcionamiento de un motor de inducción:

La resistencia del estator se denominará R1, y la reactancia de dispersión del estator X1. Estas dos componentes aparecen justo a la entrada del modelo de la máquina.

El voltaje primario interno del estator E1 se acopla con el secundario ER por medio de un transformador ideal con una relación de espiras aef.

El circuito equivalente de un motor de inducción se diferencia del circuito equivalente de un transformador, primero, en los efectos que tiene la frecuencia variable del rotor sobre el voltaje ER y las impedancias RR y jXR del mismo. En un motor de inducción, cuando se aplica el voltaje a los embobinados del estator, se induce un voltaje en los embobinados del rotor de la máquina. El voltaje inducido en el rotor a cualquier velocidad entre éstos extremos es directamente proporcional al deslizamiento del rotor, por tanto si el voltaje inducido en condición de rotor bloqueado se llama ERO, el voltaje inducido en cualquier deslizamiento se encontrará por medio de: ER = s . ERO

La frecuencia del rotor puede expresarse como: fr = s . fe.

La reactancia del rotor de un motor de inducción depende de la inductancia, de la frecuencia del voltaje y de la corriente del rotor. Sea LR la inductancia del rotor, entonces la reactancia es: XR = wr . LR = 2ΠfrLR. De manera que XR = s . XRO; donde XRO es la reactancia del rotor bloqueado.

En un transformador corriente, los voltajes, corrientes e impedancias del lado del secundario del aparato pueden ser trasladados al lado primario por medio de la relación de espiras.

VP = V'S = a . VS ; IP = I'S = IS / a; Z'S = a2 . ZS

Se tomará en cuenta las siguientes definiciones:

R2 = a2ef . RR ; X2 = a2ef . XRO

A continuación se mostrará el circuito equivalente por fase de un motor de inducción:

Usos:

El motor de inducción, en particular el de tipo de jaula de ardilla, es preferible al motor de corriente continua para trabajo con velocidad constante, porque el costo inicial es menor y la ausencia de conmutador reduce el mantenimiento.

El uso del motor de inducción en lugares como fabricas de cementos es ventajoso, pues, debido al polvo fino, es difícil el mantenimiento de los motores de corriente continua.

Para los motores de inducción de diseño clase A, las aplicaciones típicas son los ventiladores, abanicos, bombas, tornos y otras máquinas-herramientas.

La aplicación de los motores de inducción de diseño clase B, son similares a aquellas de diseño clase A, pero se prefiere la primera por razón de sus menores exigencias de corriente de arranque.

Los motores de inducción de rotor devanado solo se emplean actualmente cuando se requiere control de arranque de velocidad o si el servicio consiste principalmente en arranques y detenciones o bien inversiones de marcha; por ejemplo se usan para accionar montacargas, grúas, transportadores, trenes de laminación. Estos pertenecen a los motores de inducción clase C, y también hay en bombas cargadas, compresores y bandas transportadoras.

Los motores de inducción de diseño clase D, se usan en aplicaciones que requieren la aceleración de cargas de tipo inercia extremadamente altas, especialmente grandes volantes usados en prensas hasta su máxima velocidad, para luego impulsar la perforadora.

CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA MEDIANTE EL USO DE MOTORES SINCRÓNICOS:

Si la carga conectada a una línea tiene un factor de potencia bajo, es aconsejable con frecuencia conseguir que parte de la carga sea soportada por motores sincrónicos para mejorar el factor de potencia del sistema en conjunto.

Se puede explicar la corrección del factor de potencia, observando el siguiente ejemplo:

Sea un barraje infinito que trabaja a 480 voltios y alimenta a una planta. La carga 1 es un motor de inducción con 100 KW y factor de potencia de 0,78 en atraso; la carga 2 es un motor de inducción con 200 KW y factor de potencia 0,8 en atraso y la carga 3 es un motor sincrónico con 150 KW.

Si el motor sincrónico se gradúa para que funcione con factor de potencia de 0,85 en atraso, ¿cuál es la corriente de la línea de transmisión en este sistema?

Si el motor sincrónico se gradúa para que funcione con factor de potencia de 0,85 en adelanto, ¿cuál es la corriente de la línea de transmisión en este sistema?

Suponga que las pérdidas de la línea de transmisión se dan por medio de la ecuación: PPL=3.I2L.RL en donde PPL representa las pérdidas en la línea. ¿cuáles son las pérdidas de transmisión para cada caso?

Línea de Transmisión

Planta

La potencia en la carga 1 es 100 KW y su factor de potencia es 0,78 en atraso, entonces:

Q1 = P . tan θ = 100 KW . tan (cos-1 0,78) = 80,2 KVAR inductivo

La potencia en la carga 2 es 200 KW y su factor de potencia es 0,8 en atraso, entonces:

Q2 = P . tan θ = 200 KW . tan (cos-1 0,8) = 150 KVAR inductivo

La potencia en la carga 3 es 150 KW y su factor de potencia es 0,85 en atraso, entonces:

Q2 = P . tan θ = 150 KW . tan (cos-1 0,85) = 93 KVAR inductivo

Así que la carga real total es:

Ptot = P1 + P2 + P3 = 100 KW + 200 KW + 150 KW = 450 KW

Y la carga reactiva total es:

Qtot = Q1 + Q2 + Q3 = 80,2 KVAR + 150 KVAR + 93 KVAR = 323,2 KVAR inductivo

El factor de potencia equivalente del sistema es:

FP = cos θ = cos(tan-1Q/P) = cos (tan-1 323,2 KVAR/450 KW) = 0,812 en atraso

Finalmente, la corriente de línea se obtiene por:

Las potencias real y reactiva de las cargas 1 y 2 son invariables, así como la potencia real de la carga 3. la potencia reactiva de la carga 3 con factor de potencia 0,85 en adelanto, es entonces:

Q3 = P . tan θ = 150 KW . tan ( -cos-1 0,85 ) = -93 KVAR (capacitivo)

Así que la carga real total es:

Ptot = P1 + P2 + P3 = 100 KW + 200 KW + 150 KW = 450 KW

Y la carga reactiva total es:

Qtot = Q1 + Q2 + Q3 = 80,2 KVAR + 150 KVAR - 93 KVAR = 137,2 KVAR inductivo

El factor de potencia equivalente del sistema es:

FP = cos θ = cos(tan-1Q/P) = cos (tan-1 137,2 KVAR/450 KW) = 0,957 en atraso

Finalmente, la corriente de línea se obtiene por:

Las pérdidas por transmisión en el primer caso son:

PPL = 3.I2L.RL = 3.(667)2. RL = 1344,700. RL

Las pérdidas por transmisión en el segundo caso son:

PPL = 3.I2L.RL = 3.(566)2. RL = 961,070. RL

Se observa que en el segundo caso las pérdidas por transmisión de potencia son un 28% menos que el primer caso, en tanto que la potencia suministrada a la carga es la misma.

Tal como se ve en el ejemplo anterior, la capacidad para graduar el factor de potencia de una o más cargas en un sistema de potencia puede afectar significativamente la eficiencia de funcionamiento de este. Si el factor de potencia es bajo en un sistema, las pérdidas son mayores en las líneas de potencia que lo alimentan. La mayoría de las cargas de un sistema típico de potencia son motores de inducción, por lo cual tienen invariablemente un factor de potencia en atraso. Tener una o más cargas en adelanto (motores sincrónicos sobreexcitados) en el sistema puede ser útil por las siguientes razones:

Una carga en adelanto puede entregar algo de potencia reactiva Q a cargas en atraso cercanas, en lugar de las que deben venir del generador. Puesto que la potencia reactiva no tiene que recorrer la larga, y más bien alta, resistencia de las líneas de transmisión, la corriente de la línea de transmisión se reduce y las pérdidas del sistema de potencia son mucho más bajas.

Como las líneas de transmisión llevan menos corriente, pueden ser de menor diámetro para un flujo de potencia nominal dado. Un equipo con corriente nominal más baja reduce el costo del sistema de potencia significativamente.

Además, si se necesita que un motor sincrónico funcione con un factor de potencia adelantado, ello significa que el motor debe trabajarse sobreexcitado. Esta forma de operación aumenta el momento de torsión máximo y reduce la posibilidad de exceder el momento de torsión de desenganche.

El uso de motores sincrónicos o cualquier otro equipo para aumentar el factor de potencia total de un sistema de potencia se denomina corrección del factor de potencia. Puesto que un motor sincrónico puede suministrar corrección del factor de potencia y rebajar los costos del sistema de potencia, muchas cargas que pueden soportar un motor de velocidad constante se accionan con motores sincrónicos. Aunque un motor sincrónico puede costar más que un motor de inducción, su capacidad de operación con factores de potencia adelantados, para corrección del factor de potencia, es económica para las plantas industriales, por lo cual se impone la compra de ellos.

Todo motor de una planta industrial trabaja sobreexcitado de manera rutinaria para lograr la corrección del factor de potencia y para incrementar su momento de desenganche. Sin embargo, el trabajar un motor sincrónico sobreexcitado requiere una corriente de campo y un flujo altos, lo cual causa un significativo calentamiento del rotor. El operario debe tener cuidado de no dejar recalentar el embobinado de campo, mirando que no se sobrepase la corriente de campo nominal.

+

-

jX IA

+

EA Vφ

-

RA jXS IA1

+

EA1 Vφ1

-

+

-

+

-

RA jXS IA2

+

EA2 Vφ2

-

+

-

RA jXS IA3

+

EA3 Vφ3

-

VT

IF Raj

RF

VF (CC)

LF

EA3

+

-

+

-

-

+

EA1

RA

jXS + +

jXS

RA

jXS -

RA

IA

IL

Vφ

EA2

EA3

VT

EA2

Vφ

IL +

IA

jXS

-

RA

jXS +

RA

jXS

-

RA

EA1

-

+

+ -

+

-

Circuito equivalente del generador conectado en Δ

Circuito equivalente del generador conectado en Y

Raj

IF RF

VF (CC)

LF

Raj

IF RF

VF (CC)

LF

+

-

RA jXS IA1

+

EA1 Vφ1

-

IF Raj

RF

VF (CC)

LF

+

-

RA jXS IA1

+

EA1 Vφ1

-

+

-

RA jXS IA3 +

EA3 Vφ3

-

Barraje Infinito

I1 R1 jX1

+ +

IM I2 jX2

Vφ Rc jXM E1 R2/s

- -

+

-

RA jXS IA1 +

EA1 Vφ1

-

+

-

RA jXS IA2 +

EA2 Vφ2

-

I1 R1 X1 I2 aef IR XR

+ IM + +

RR

E1 ER

VP Rc XM

- - -

Carga 1

Carga 2

Carga 3