MAQUINAS SINCRONAS

Se aplican en alta potencia: Generacion, Compensacion del factor de potencia, motores de alta potencia.

--ESTATOR:

-Nucleo ferromagnético, grano orientado, alta concentración de silicio (4.5%,…5%) bajo coeficiente de perdidas (alta permeabilidad), alta eficiencia >95%, laminado, aislado, ranurado.

-Bobinado imbricado de doble capa, paso fraccionario para reducir las armonias de orden superior y aproximar la onda de fmm a la forma senoidal.

-El ensamble es sobre el yugo o carcaza, acero especial y que se utiliza para cerrar el flujo magnético.

-Recibe el nombre de armadura y trabaja con señal AC.

--ROTOR:

-Se le llama campo, trabaja con señal DC.

-Nucleo ferromagnético, puede ser en:

*Bloques tipo transformador para aplicación en polos salientes.

*Laminado tipo armadura de maquina DC, ranurado, para alojar bobinas de campo.

*El material Fe-Si debe ser laminado y aislado.

-Ambos casos: En el eje se hace el montaje de anillos deslizantes o anillos rozantes, para unir el circuito de excitación con la fuente de alimentación que puede ser externa, en diseños modernos se aplica la excitación en estado solido (utilizando semiconductores para rectificacion).

--EXISTEN DOS TIPOS DE ROTORES:

*ROTOR DE POLOS SALIENTES: Se utiliza en sistemas de generación hidráulica (son de marcha lenta o baja velocidad). Es de multiples polos (La reluctancia es diferente). El bobinado es concéntrico tipo transformador. La relación diámetro-longitud cumple con la relación: D>>L

*ROTOR CILINDRICO: La reluctancia del rotor es uniforme, dando origen a solo una reactancia (reactancia sincrona). – El bobinado esta en las ranuras es tipo distribuida, con paso de bobina variable y normalmente es de dos polos. –La relación entre el diámetro y la longitud D<<L , por ser de alta velocidad (>3000 RPM) –Se aplica en generación térmica (TURBO GAS). – Los ejes llevan anillos deslizantes para alimentar el circuito de excitación con señal DC.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO:

En el circuito de campo (INDUCTOR) se produce un campo magnético que en el entrehierro tiene una distribución espacial de la densidad de flujo magnético, prácticamente senoidal. En las maquinas de polos salientes esto se consigue variando el entrehierro.

Al estar en movimiento el rotor el flujo magnético estacionario que produce la bobina de campo, para las bobinas instaladas en el estator se vuelven un flujo variable.

Esto permite que el estator se indusca una electromotriz f.e.m. que varia de la misma forma como varia el flujo en el entrehierro (senoidalmente), cuya frecuencia dependerá de la velocidad del rotor de la maquina.

Cuando circula corriente por el circuito de la armadura se produce otro campo magnético que se llama reacción de armadura que en la maquina trifásica tiene la misma característica de girar en la misma dirección y a la misma velocidad del rotor. Ambos campos (ROTOR ARMADURA) interaccionan y se produce un torque electromagnético que tiende a alinearlos.

--CAMPO MAGNETICO DEL ROTOR:

El rotor de cualquier tipo produce una distribución espacial de flujo cuyo densidad en el entrehierro tiene la forma anterior para determinar el flujo por polo:

Q= (2Lr/P’).Bmax

--CAMPO EN LA ARMADURA:

El bobinado es trifásico y tiene una separación de 120º eléctricos entre cada fase, en cada fase se va a producir una fuerza magnetomotriz cuya forma de onda es rectangular.

Aplicando las series de Fourier esta onda cuadrada es la suma de varias sinosoidales (fundamental y armónicas) cuya ecuación para la onda fundamental:

F1max = (4/pi.P’).(Ni/2) = 2NI/pi.P’

Esta onda esta alineada con el eje magnético de la bobina.

La onda de la fuerza magnetomotriz la podemos escribir de la siguiente forma:

F1= F1max.cos(P’.Qmec)

En las maquinas de corriente alterna el arrollamiento no es concentrado sino esta distribuido en la armadura para aprovechar toda la circunferencia del estator, esto da origen al factor de distribución (Kd) que permite mejorar la forma de onda de la fuerza magnetomotriz y aproximarla a la forma senoidal; siempre Kd<1

REACCION DE ARMADURA:

Es el campo giratorio producido por la armadura.(principio de funcionamiento)

FLUJO DE EXCITACIÓN:

Este flujo Qe esta relacionado con el campo producido en el rotor, el flujo de reacción de armadura QA depende la corriente que circula por la armadura a la carga de caída de la maquina y la suma vectorial de ambos flujos Qe + QA = QR de un flujo resultante que esta relacionado con la tensión en las barras de salida de la maquina, cuando la maquina no trabaja sola sino esta conectada a un sistema de potencia este valor de tensión de barra es constante.

La corriente de armadura esta relacionada con el factor de potencia cuyo angulo es el desplazamiento del vector corriente con el vector tensión, en estas maquinas este angulo es manejable.

Entre la tensión interna y la tensión en bornes existe el angulo s conocido como angulo de carga de la maquina o angulo de torque.

BARRA INFINITA:

Su inercia eléctrica es muy elevada, y la participación de una maquina no modifica los parámetros (V,f) del sistema.

REACTANCIAS DE LA M.S.

Xs = Reactancia síncrona en estado estable.

Xs’ = Reactancia transitoria – opera en los transitorios de la maquina.

Xs’’ = Reactancia subtransitoria – opera solo en el inicio de la falla (3 o 5Hz).

IMPEDANCIA SINCRONA

Zs = RA + j Xs ……………RA es muy pequeña

En el diagrama vectorial E es la tensión interna de la MS.

GENERACION DE LA FUERZA f.e.m.

En el rotor se produce una onda senoidal de densidad de flujo en el entrehierro y se define como:

Be = Bmax . sen (P’ Qmec)

Qmec= w.t

Asumiendo que en t=0 el eje magnetico del rotor coincide con el eje de la bobina de la fase A instalada en el estator, la fem inducidasobre un conductor de la bobina se determina por la relacion.

e = Be.L.v

e= Bmax. Sen (P’.Qmec).L.v

v = ws.r

e = Bmax.L.ws.r.sen(P’.Qmec)

Bmax = (P’/2.L.r).Qe

Conductor:

e = (P’/2).ws.Qe.sen(P’.Qmec)

Espira:

e = P’.ws,Qe.sen(P’.Qmec)

Bobina:

ebob = N.P’.ws.Qe.sen(P’.Qmec)

Eb = eb/sqrt(2)

Ws = 2pi.ns

2.pi.f = P’.(2pi.ns)

F = P’.ns

E = 4.44 f.N.Qe

eb = sqrt(2). E sen(wt - 120)

ec = sqrt(2). E sen(wt + 120)

En regimen estable la maquina de rotor cilindrico tiene el entrehierro constante lo que determina que el circuito magnetico no varia en el eje directo y en el eje de cuadratura del rotor.

La maquina síncrona se representa por una fuente de tensión ideal en serie con la impedancia síncrona (Zs) donde para análisis exactos se considera RA que es la resistencia del enrollamiento de la armadura y Xs llamada reactancia síncrona que tiene dos componentes.

XS == XD = reactancia de dispersión de armadura.

XA = reactancia de reacción de armadura.

Y Xs es la suma de las dos componentes. Xs = XD + XA

La reactancia de dispersión considera el flujo que no logra concatenarse con el rotor, esta reactancia generalmente es pequeña.

La reactancia de reacción de armadura toma en cuenta el flujo correspondiente al campo giratorio de reacción de armadura que se combinan con el flujo del rotor.

La reactancia de reacción de armadura depende de la reluctancia del circuito magnético compuesto por el rotor, el estator y el entrehierro.

Inductancia

de la bobina: L = N^2 / IR

Debido al entrehierro esta reluctancia es relativamente alta y se mantiene constante mientras no se sature al circuito magnético recibiendo el nombre de reactancia no saturada. Cuando el circuito magnético se satura la reluctancia aumenta y se vuelve variable, la variación va aumentando conforme aumente la saturación del material ferromagnético del núcleo.

CIRCUITO EQUIVALENTE DE LA M.S. ROTOR CILINDRICO

La MS de rotor cilíndrico en estado estable se representa por la fuente de tensión y la impedancia síncrona donde esta considera la resistencia de la bobina, la reactancia de dispersión y la reactancia de reacción de armadura (Zs = RA + jXs)

Considerando que normalmente la carga es de tipo inductivo, la corriente en condición de generación esta atrazada con respecto a la tensión la que nos lleva al siguiente diagrama fasorial.

El diagrama fasorial de operación dependerá del tipo de carga que alimenta (factor de potencia de la carga), el diagrama graficado corresponde a una carga inductiva.

P= E.V.sen(s)/X

Q= E.V.cos(s) - V^2 /X

P= (E.Vt/Xd)sen(s)+

+Vt^2(Xd-Xq/2Xd.Xq)sen(2s)