Generalidades de los sistemas de energía eléctrica · PDF...
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MMááqquuiinnaa ssíínnccrroonnaa
JJoosséé MMaannuueell AArrrrooyyoo SSáánncchheezz
ÁÁrreeaa ddee IInnggeenniieerrííaa EEllééccttrriiccaa DDeeppaarrttaammeennttoo ddee IInnggeenniieerrííaa EEllééccttrriiccaa,, EElleeccttrróónniiccaa,, AAuuttoommááttiiccaa yy CCoommuunniiccaacciioonneess
UUnniivveerrssiiddaadd ddee CCaassttiillllaa –– LLaa MMaanncchhaa
1
Contenidos
• Introducción • Sistemas de excitación • Funcionamiento en vacío y en carga • Alternador en una red aislada • Acoplamiento a red de potencia infinita • Lugares geométricos • Motor síncrono
2
Bibliografía
• J. Fraile. “Máquinas Eléctricas”. Sexta Edición. McGraw-Hill. Madrid. 2008
• J. Fraile, J. Fraile. “Problemas de Máquinas
Eléctricas”. McGraw-Hill. Madrid. 2005
3
Introducción
• Velocidad de giro en régimen permanente:
p60n = f
• Principio de reciprocidad (generador o
alternador, motor) • Distintas frecuencias (volumen)
4
Introducción
• Excitación en corriente continua • Rotor de polos salientes vs. rotor de polos
lisos (rotor cilíndrico) • η ≈ 98.5%
5
Introducción
• Uso como generador (principal):
Suministro de gran potencia a la red
Instalaciones de emergencia (hospitales, ordenadores)
Instalaciones aisladas (redes rurales,
grupos electrógenos)
6
Introducción • Uso como motor:
Aplicaciones con velocidad constante (bombeo)
Regulación del factor de potencia (condensador o compensador síncrono)
7
Introducción Central de bombeo
8
Aspectos constructivos
• Estátor
Con expansiones polares ⇒ Devanado concentrado
Cilíndrico ⇒ Devanado distribuido
• Rotor
Polos salientes ⇒ Devanado concentrado
Polos lisos o rotor cilíndrico ⇒ Devanado distribuido
9
Aspectos constructivos
10
Aspectos constructivos
11
Aspectos constructivos Devanados
• Inductor
Corriente continua
Devanado concentrado o distribuido
• Inducido
Corriente alterna
Devanado distribuido
12
Aspectos constructivos. Devanados
• Máquinas pequeñas (< 10 kVA)
Devanado inductor en el estátor, concentrado en expansiones polares
Devanado inducido trifásico en el rotor (anillos)
• Máquinas grandes (10 kVA hasta 1500 MVA)
Devanado inductor en el rotor (anillos)
Devanado inducido trifásico en el estátor
13
Tipos según la máquina motriz Turbogeneradores
• ↑ rendimiento a ↑ velocidad
• Rotor cilíndrico
• Centrales térmicas ⇒ Bipolar (n = 3000 rpm)
• Centrales nucleares (temperatura y presión ↓) ⇒ Tetrapolar (n = 1500 rpm)
• Eje turbina-alternador horizontal
• ↓ Diámetro (1-2 m), ↑ longitud (10-12 m)
• SN hasta 1500 MVA 14
Tipos según la máquina motriz Hidrogeneradores
• Las características dependen del salto de
agua:
Salto grande: Turbina Pelton, eje horizontal y vertical (750-375 rpm)
Salto medio: Turbina Francis, eje vertical
(150 rpm)
Salto pequeño: Turbina Kaplan, eje vertical (< 100 rpm)
15
Tipos según la máquina motriz Hidrogeneradores
• Rotor de polos salientes (20-40 polos, 100
polos máximo) • Gran diámetro (hasta 20 m), pequeña longitud
• SN hasta 150-300 MVA (hay de 820 MVA) • Para 200 MVA ⇒ 5-7 m de diámetro y 2-3 m
de longitud
16
Tipos según la máquina motriz Diesel
• Motor de combustión interna • Velocidad de giro de hasta 1500 rpm • Pequeña potencia nominal (hasta 20 MVA)
17
Algunos datos característicos
SN (MVA) < 200 > 200 VN (kV) 6.6-15 25-30 IN (kA) [3, 35] < 17.5
• Para 100 kVA ⇒ Pe ≈ 3 kW • Para 750 MVA ⇒ Ie < 2.5 kA, Ve < 1 kV • Para 1000 MVA ⇒ Pe ≈ 4 MW, Ie < 10 kA
18
Algunos datos característicos • Turbogenerador de 1000 MVA:
Rotor de 1.25 m de diámetro
7 m de longitud
Peso del estátor ≈ 300 Tm
Peso del rotor ≈ 80 Tm
PCU ≈ 15 MW 19
Contenidos
• Introducción • Sistemas de excitación • Funcionamiento en vacío y en carga • Alternador en una red aislada • Acoplamiento a red de potencia infinita • Lugares geométricos • Motor síncrono
20
Sistemas de excitación Excitatriz principal de c.c.
• 2 máquinas de c.c. ⇒ ↑ coste de
mantenimiento • Escobillas ⇒ Desgaste
21
Sistemas de excitación Excitatriz principal de c.a.
• Escobillas ⇒ Desgaste
22
Sistemas de excitación Autoexcitación
• Escobillas ⇒ Desgaste
23
Sistemas de excitación Sin escobillas y excitatriz piloto
24
Sistemas de excitación Sin escobillas y autoexcitación
• Problema con protecciones
25
Contenidos
• Introducción • Sistemas de excitación • Funcionamiento en vacío y en carga • Alternador en una red aislada • Acoplamiento a red de potencia infinita • Lugares geométricos • Motor síncrono
26
Funcionamiento en vacío
• Rotor a velocidad nominal y excitado
• Devanado trifásico en estátor, N espiras/fase, concentrado
• Flujo por las espiras varía entre φmáx, -φmáx ⇒ 3 f.e.m. inducidas
27
Funcionamiento en vacío
0EV =
∫∫∫φ
φφ−=
φ−== máx
máx
-
2T
0 2T
0 0med0 Nd
T2dt
dtdN
T2dte
2T1E
máxf0máxmed0 fNk4EfN4E
= φ =⇒ φ
máxadf0 fNkkk4E = φ
28
Funcionamiento en vacío
• ≡fk Factor de forma (flujo no sinusoidal puro)
≡dk Factor de distribución (f.e.m. en devanado distribuido desfasadas ⇒ suma vectorial)
•
≡ak Factor de acortamiento (bobinas con paso acortado en lugar de diametral ⇒ suma vectorial de f.e.m.)
•
29
Funcionamiento en vacío
• F.e.m. sinusoidal ⇒ Distribución sinusoidal de la densidad de flujo en el entrehierro
30
Funcionamiento en vacío
• Máquina de polos salientes:
Aumento del entrehierro del centro del polo a extremos
Leyes del devanado del inducido (estátor)
• Máquina de rotor cilíndrico:
Leyes del devanado del inductor (rotor)
31
Funcionamiento en vacío Curva de vacío, E0 = f(Ie)
• E0 ∝ φ
• Ie ∝ F
• Velocidad nominal
• Variación de la excitación
32
Funcionamiento en carga
• Modificación de V respecto a E0 por:
Caída de tensión en el circuito del inducido (impedancia del devanado):
o R ⇒ 1-2% de VN (grandes generadores)
o Reactancia de dispersión (Xσ) ⇒ 10-15%
de VN (caída de tensión inductiva)
Reacción del inducido
33
Funcionamiento en carga Reactancia de dispersión
• Modela el flujo del inductor que no concatena
al inducido (ranuras y cabezas de bobina)
f2LLX ω == σ πσ σ
34
Funcionamiento en carga Reacción del inducido
• F originada por corriente del inducido que
modifica el flujo en el entrehierro (flujo inductor)
• Depende de la magnitud y fase de la corriente
del inducido • Puede deformar, reducir o ampliar el campo
de excitación
35
Reacción del inducido Carga resistiva
( )∫ ⋅×= lr rr dBve
36
Reacción del inducido Carga resistiva
• Reacción del inducido transversal (desplazada
90º respecto al campo inductor) • Desplazamiento en sentido contrario a n • Distribución asimétrica de F resultante • Saturación ⇒ Flujo principal < Flujo de vacío
37
Reacción del inducido Carga inductiva
38
Reacción del inducido Carga inductiva
• Reacción del inducido longitudinal (misma
dirección) pero de sentido contrario al campo inductor
• No hay desplazamiento de flujo • F resultante menor (efecto desmagnetizante)
39
Reacción del inducido Carga capacitiva
40
Reacción del inducido Carga capacitiva
• Reacción del inducido longitudinal (misma
dirección) y de sentido idéntico al campo inductor
• No hay desplazamiento de flujo • F resultante mayor (efecto magnetizante)
41
Diagrama fasorial de un alternador
• Relación gráfica de f.e.m. y tensión en bornes
• Interacción entre F de excitación y de reacción del inducido ⇒ F resultante
• Hipótesis:
Rotor cilíndrico
Reactancia de dispersión constante
PFe nulas ⇒ F y φ resultantes en fase
Carga inductiva 42
Diagrama fasorial de un alternador
• Aplicación: Cálculo de Ie para V, I conocidas
IjXIRVEr
r r r r = + + σ
43
Diagrama fasorial de un alternador
• Flujo resultante adelantado 90º respecto a rEr
ier FFFr r r= +
• Máquina en vacío:
rei 0 FFFr r r
=⇒=
φr ↑↑ (mediante curva de vacío) ⇒ Ie
44
Diagrama fasorial de un alternador
• Proceso físico inverso: V, I a partir de Ie
Er
iℑr
eℑr
rℑr
IVΦr
INDUCIDO
INDUCTOR
⎪⎭
⎪⎬
⎫
⎪⎩
⎪⎨
⎧
T
S
R
III
eI
R XσΦσ
Φr
ℑr
• Lazo de realimentación
45
Regulación de tensión
• Para un valor constante de Ie:
(%) 100V
0 ⋅VE −
=ε
• Depende de:
Caída de tensión por la impedancia (R, Xσ)
Reacción del inducido:
o Cargas inductivas y resistivas ⇒ ε > 0
46
o Cargas capacitivas ⇒ ε < 0
Regulación de tensión
• Aplicaciones:
Control de tensión (carga) ⇒ Equipos de regulación automática de tensión que controla la excitación
Corrientes de cortocircuito ⇒ Tamaño y
poder de corte de interruptores
47
Ángulo de carga
Vm
rδ = δ −∠
0Er
∠≡δ
• Relacionado con la potencia activa
48
Característica exterior
• Representación de V = f(I), Ie = Cte. • Ie = Cte. ⇒ V(I = 0) = E0 = VN
49
Característica de regulación
• Representación de Ie = f(I), V = VN • Ie0 ⇒ V(I = 0) = E0 = VN
50
Análisis de la máquina síncrona Circuito equivalente
• Reacción del inducido:
V, I, E ⇔ Magnitudes eléctricas
F, φ ⇔ Magnitudes magnéticas • Simplicidad de cálculo ⇒ Circuito eléctrico
equivalente • Objetivo ⇒ Cálculo de la regulación
51
Análisis de la máquina síncrona Circuito equivalente
• Proceso de estudio:
Rotor cilíndrico ⇒ Análisis lineal (Método de Behn-Esschenburg)
Rotor cilíndrico ⇒ Análisis no lineal (Método
de Potier o del factor de potencia nulo)
Rotor de polos salientes ⇒ Análisis lineal (Teoría de las dos reacciones)
52
Método de Behn-Esschenburg Impedancia síncrona
• Máquina de rotor cilíndrico • Operación en la zona lineal ⇒ φ = kF • Principio de superposición (ventaja):
r
iii
0eee
EE
EE r
rrr
rrrr
⇒⎪⎭
⎪⎬
⎫
⇒φ⇒
=⇒φ⇒
F
F
53
Método de Behn-Esschenburg Impedancia síncrona
Er
iℑr
eℑr
IV⎪⎭
⎪⎬
⎫
⎪⎩
⎪⎨
⎧
T
S
R
III
INDUCIDO
INDUCTOR
R XσΦσ
EiΦi
E0ΦeeI
54
Método de Behn-Esschenburg Impedancia síncrona
• Conversión de magnitudes magnéticas:
Flujo de dispersión (φσ
r)
o IjX
rσ
I ⇒ Caída de tensión adelantada 90º
respecto a r
Flujo de excitación (φe
r)
o 0Er
⇒ f.e.m. retrasada 90º respecto a φe
r
55
Método de Behn-Esschenburg Impedancia síncrona
φ Flujo de reacción del inducido ( i
r)
o IjXE ii
rr−=
i
⇒ Caída de tensión retrasada 90º respecto a I
r) φ
r (
o Xi ⇒ Reactancia de reacción del inducido
56
Método de Behn-Esschenburg Impedancia síncrona
• Diagrama fasorial:
i0rier EEEr r rr r r
= + =⇒ +F F F
57
Método de Behn-Esschenburg Impedancia síncrona
• Sustituyendo:
IjXIjXIRVE i0
r r r r r = + + +σ
( ) ( )IjXRVIjXRVE si0 jXr rr r r
+= + + = + + σ
IZVE s0
r r r r= +
58
Método de Behn-Esschenburg Impedancia síncrona
• Xs ≡ Reactancia síncrona (Cte. ⇒ No
saturada) • sZ
r ≡ Impedancia síncrona
59
Ensayos de vacío y cortocircuito Cálculo de la impedancia síncrona
60
Ensayos de vacío y cortocircuito Cálculo de la impedancia síncrona
• Ensayo de vacío:
VE0I 0
r r r = =⇒
• Ensayo de cortocircuito:
( )FaseEZ0V 0rIcc
s
rrr
=⇒=
• Ambos dependen de Ie
61
Ensayos de vacío y cortocircuito Cálculo de la impedancia síncrona
• Ensayo de cortocircuito ⇒ F resultante ↓↓
(efecto desmagnetizante) ⇒ Zonal lineal • Hipótesis: R = 0
62
Ensayos de vacío y cortocircuito Cálculo de la impedancia síncrona
63
Ensayos de vacío y cortocircuito Cálculo de la impedancia síncrona
• Impedancia síncrona no saturada:
( ) fase/ e'0
saturada noZs Ω= d0
• Impedancia síncrona saturada:
( ) fase/ f'0
saturadaZs Ω= d0
64
Ensayos de vacío y cortocircuito Cálculo de la impedancia síncrona
• Reactancia síncrona:
22ss RZX −=
• Relación de cortocircuito (SCR) ⇒ Parámetro
adimensional proporcional al tamaño de la máquina:
( )( ) c0
b0IIIVEISCRNcce
N0e ===
=
65
Análisis no lineal Método de Potier o del cos ϕ nulo
• Máquinas de rotor cilíndrico en zona no lineal
⇒ φ ≠ kF • Behn-Esschenburg ⇒ Errores apreciables • Método de Potier ⇒ Método gráfico:
Curva de vacío, E0 = f(Ie)
Ensayo del factor de potencia nulo con I = IN 66
Análisis no lineal Método de Potier o del cos ϕ nulo
E0
rℑr
I
XσI
V
Er
iℑr
iℑ−r
eℑr
IXVEIjXVE rr
rσσ +=⇒+=
r r
ireire FFFFFFr r r
= − ⇒ = +
• Carga inductiva ⇒ Reacción del inducido
opuesta al campo inductor 67
Análisis no lineal Método de Potier o del cos ϕ nulo
• Curvas de vacío y del cos ϕ nulo:
B’
E0, V RECTA DEL ENTREHIERRO
IeF
ℑi ℑi
M
Er
A B D
C
A’
C’
EXCITACIÓN
CURVA REACTIVA
CURVA DE VACÍO
XσI
O
VN
68
Análisis no lineal Método de Potier o del cos ϕ nulo
• Hipótesis:
R = 0
Curvas de vacío y en carga semejantes ⇒ Mismo circuito magnético
( ) ( )rre0 'fEfE = ≈ = F F
Xσ constante
69
Análisis no lineal Método de Potier o del cos ϕ nulo
• Análisis en sentido inverso ⇒ Datos
conocidos: curva de vacío, Fi, VN y punto A
OFier CPuntoOMMF−=−= FFF = ⇒
ABCTriánguloBCMBMCVEIX = − = − ⇒= rσ
Si Xσ e I son constantes ⇒ Desplazamiento
del triángulo ABC (triángulo de Potier) ⇒ Curvas de vacío y del cos ϕ nulo
70
Análisis no lineal Método de Potier o del cos ϕ nulo
• Análisis en sentido directo ⇒ Datos
conocidos: VN y puntos A y A’
ADO'A ⇒ DPunto=
Paralela a recta de entrehierro desde D ⇒
Punto C
Perpendicular a AD desde C ⇒ Punto B
Resultado: AB = Fi y BC = XσI 71
Análisis no lineal Método de Potier o del cos ϕ nulo
• En realidad:
IXBC σ> • Si Ie ↑ ⇒ φσ↑ ⇒
( ) ( )rre0 'fEfE = ≠ =F F • Poca influencia para rotor cilíndrico • Método aplicable a rotor de polos salientes
72
Máquina de polos salientes Teoría de las dos reacciones
• Entrehierro q >> Entrehierro d
• Reacción del inducido única ⇒ Poca precisión ⇒ 2 componentes ( dF
r y qF
r)
• Análisis lineal
73
Máquina de polos salientes Teoría de las dos reacciones
Φq Er
iℑr
eℑr
IV
INDUCIDO ⎪
⎪⎬
⎫
⎪
⎪⎨
⎧
S
R
III
⎭⎩ T
INDUCTOR E0Φe
EidΦd
Eiqqℑ r
dℑr
eI
d idid IjXE
r r
= −
q iqiq IjXErr
= −
q d IIIr r r= +
74
Máquina de polos salientes Teoría de las dos reacciones
• Componente en la dirección del eje d
d IjdIr
ddd eIIIr r
∠=
º90EI o º90EI,0I 0d0dd
=∠
r r r r∠> = ∠ − ∠ = ∠ +
• Componente en la dirección del eje q
q Ijqq qq eIIII
r r r∠=∠=
º180EI o EI,0I 0q 0q q
r r r r> ∠ = ∠ ∠ = ∠ ±
75
Máquina de polos salientes Teoría de las dos reacciones
q iq0 IjXVEr
d id IjXIjXIRrrrrr
++++ =
q qd d0 IjXIjXIRVE
σ r r r r r
= + + +
• Reactancia síncrona de eje directo
idd XXX = + σ
• Reactancia síncrona de eje en cuadratura
iqq XXX = + σ
76
Teoría de las dos reacciones Resolución
• Datos típicos: V
r, Ir, ϕ, R, Xq, Xd
• Incógnitas: 0E
r, q Ir
, dIr
(sólo Iq e Id) • Método analítico ⇒ Sistema lineal de 4
ecuaciones y 4 incógnitas ⇒ Resolución ardua (no se conoce el desfase de 0E
r)
77
Teoría de las dos reacciones Resolución alternativa
• Fundamento ⇒ Obtención del desfase de 0E
r
( )IEIsenI 0d
rr= ∠ −∠
( )IE0
r rcosIIq = ∠ −∠
78
Teoría de las dos reacciones Resolución alternativa
• Despejando q I
r y reagrupando:
( ) d qdq0 IXXjIjXIRVEr rrr r
= + + + −
• ( ) d qd IXXj
r− en fase con 0E
r ⇒ IjXIRV q
r r r++ en
fase con 0Er
79
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
ALTERNADOR EN UNA RED AISLADA
80
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
ALTERNADOR EN UNA RED AISLADA CARACTERÍSTICAS
1) FRECUENCIA ⇔ VELOCIDAD MOTOR PRIMARIO 2) FACTOR DE POTENCIA GENERADOR = FACTOR DE POTENCIA CARGA 3) TENSIÓN DE SALIDA DEPENDE DE:
• VELOCIDAD DE GIRO • CORRIENTE DE EXCITACIÓN • CORRIENTE DE INDUCIDO • FACTOR DE POTENCIA CARGA
81
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
REGULADOR DE TENSIÓN
HIPÓTESIS:
1) VELOCIDAD = CTE. ⇒ f = CTE.
2) REGULADOR DE TENSIÓN = CTE. ⇒ Fe = CTE.
SI SE PRODUCE UNA VARIACIÓN DE LA CARGA (P, Q): • VARIACIÓN EN LA CORRIENTE ⇒ VARIACIÓN EN LA REACCIÓN DEL
INDUCIDO • VARIACIÓN EN LA FUERZA MAGNETOMOTRIZ RESULTANTE EN EL
ENTREHIERRO ⇒ ΔER ⇒ ΔV PARA MANTENER V CTE. ⇒ ACTUACIÓN DEL REGULADOR DE TENSIÓN SOBRE LA EXCITACIÓN ⇒ ΔE0
82
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
REGULADOR DE VELOCIDAD
83
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
REGULADOR DE VELOCIDAD
HIPÓTESIS: Pm
1) Pmecánica = CTE.
2) Pgenerada = Pcarga
SI SE PRODUCE UNA VARIACIÓN DE LA CARGA (P, Q): • VARIACIÓN EN ENERGÍA CINÉTICA ⇒ VARIACIÓN EN LA VELOCIDAD • VARIACIÓN EN f
PARA MANTENER f CTE. ⇒ ACTUACIÓN DEL REGULADOR DE VELOCIDAD SOBRE LA VÁLVULA DE ADMISIÓN ⇒ ΔPmecánica ⇒ Δ VELOCIDAD HASTA EQUILIBRIO
84
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
REGULADOR DE VELOCIDAD
RELACIÓN POTENCIA - VELOCIDAD TURBINA ⇒ CURVA DE ESTATISMO f(P):
a
Pn
f
B
A
PPbPa
f1fa
f2fb
b
C’
f
B
B’
PP’P
fn
f'D
C
A’
A
REGULACIÓN PRIMARIA REGULACIÓN SECUNDARIA
REGULADOR ASTÁTICO f(P) = CTE. AUMENTO DE CARGA: P → P’ REGULADOR PRIMARIO: fn → f’ REGULADOR SECUNDARIO (VARIADOR DE VELOCIDAD): f’ → fn
85
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
MANIOBRA ACOPLAMIENTO A RED: SINCRONIZACIÓN
CONDICIONES: 1) MISMO NÚMERO DE FASES, SECUENCIA, TENSIÓN EFICAZ NOMINAL 2) MISMA FRECUENCIA 3) TENSIONES HOMÓLOGAS EN FASE ESQUEMAS:
86
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
MANIOBRA ACOPLAMIENTO A RED: SINCRONIZACIÓN
87
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA. RED POTENCIA INFINITA
ROTOR CILÍNDRICO, NO SATURADA
IjXVE s0
rrr+=
)(SenjE)(CosEEE 0000 δ+δ=°δ∠=r
°∠= 0VVr
88
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA. RED POTENCIA INFINITA
s
0
jXVEIrr
r −=
s
00
jX)(SenjEV)(CosEI δ+−δ
=r
s
00*
jX)(SenjEV)(CosEI
−δ−−δ
=r
s
20
s
0*
XV)(VCosE3j)(Sen
XVE3IV3S −δ
⋅+δ==rrr
)(SenX
VE3Ps
0 δ= Q E VCos VXs
=−3 0
2( )δ
89
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA. RED POTENCIA INFINITA
ANÁLISIS DE P
)(SenP)(SenX
VE3P maxs
0 δ=δ=
–180º –90º90º 180º0º
Pmax
–Pmax
MOTOR
GENERADOR
δ > 0 ⇒ P > 0 ⇒ P DESARROLLADA > 0 ⇒ GENERADOR (E0 DELANTE V) δ < 0 ⇒ P < 0 ⇒ P DESARROLLADA < 0 ⇒ MOTOR (E0 DETRÁS V)
90
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA. RED POTENCIA INFINITA
ANALOGÍA MECÁNICA:
ANÁLISIS DE Q
s
20
XV)(VCosE3Q −δ
=
91
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA. RED POTENCIA INFINITA
• E0Cos(δ) > V
MÁQUINA SÍNCRONA LA RED ⎪⎩
⎪⎨
⎧
DE CAPACITIVA Q RECIBE
AINDUCTIVA Q ENTREGA
MÁQUINA SOBREEXCITADA
• E0Cos(δ) < V
MÁQUINA SÍNCRONA LA RED ⎪⎩
⎪⎨
⎧
ACAPACITIVA QNTREGA E
DEINDUCTIVA Q ECIBER
MÁQUINA SUBEXCITADA
92
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
EFECTOS DE LA VARIACIÓN DE LA EXCITACIÓN
TRAS ACOPLAMIENTO ESTÁ FLOTANTE
s
0
jXVEIrr
r −=
AUMENTA EXCITACIÓN ⇒ ↑E0 ⇒ rI REACTIVA > 0
VEE 0x
rrr−=
93
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
EFECTOS DE LA VARIACIÓN DE LA EXCITACIÓN
DISMINUYE EXCITACIÓN ⇒ ↓ E0
⎪⎪⎪
⎭
⎪⎪⎪
⎬
⎫
↓<
↑>
=
exc
exc
I 0Q
I 0Q
0P
COMPENSADOR SÍNCRONO
94
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
EFECTOS DE LA VARIACIÓN DEL PAR MECÁNICO (REGULADOR DE VELOCIDAD)
SITUACIÓN INICIAL “FLOTANTE” APERTURA ADMISIÓN VAPOR ⇒ ↑ POTENCIA MECÁNICA ⇒ ROTOR ACELERA ⇒ E0 SE ADELANTA δº RESPECTO V SI E0 = CTE. ⇒ VE0
rr=
95
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
EFECTOS DE LA VARIACIÓN DEL PAR MECÁNICO (REGULADOR DE VELOCIDAD)
2π
=δ ≡ LÍMITE DE ESTABILIDAD ESTÁTICA
↑ Pmec ⇒ ↓ Pe ⇒ ACELERACIÓN, SALIDA SINCRONISMO SI ↑ Iexc ⇒ |E0| ↑ (P = CTE.) ⇒ ↓ δ LUGARES GEOMÉTRICOS DE P = CTE.
P = 3VICos(ϕ) = k1[OA]
[ ]BCk)(SenEXV3P 20s
=δ=
96
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
LUGARES GEOMÉTRICOS ALTERNADOR (P = CTE.) PARA DISTINTAS EXCITACIONES
P = CTE. ⇒ ⎪⎩
⎪⎨
⎧
=δ
=ϕ
.CTE)(SenE
.CTE)(ICos
0
IjXVE s0
rrr+=
97
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
LUGARES GEOMÉTRICOS MOTOR (P = CTE.) PARA DISTINTAS EXCITACIONES
INICIALMENTE GENERANDO P SI SE DISMINUYE Pmec ⇒ “FLOTANTE” SE DESCONECTA EL MOTOR PRIMARIO SE CONECTA UNA CARGA ⇒ MOTOR SÍNCRONO
98
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
CURVAS EN V DE MORDEY
99
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE ALTERNADORES
∑Pi = PCARGA
∑Qi = QCARGA
100
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE ALTERNADORES
fa = f1 - 1k
1 P1 = f2 - 2k
1 P2
f1, f2 ≡ FRECUENCIAS DE VACÍO
1 REGULADOR DEL CONSTANTEff
Pka1
11 ≡
−=
2 REGULADOR DEL CONSTANTEff
Pka2
22 ≡
−=
)(tan)(tan
kk
PP
2
1
2
1
2
1
αα
==
MÁS CARGADO EL DE MAYOR α
101
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE ALTERNADORES
SI SE ACTÚA SOBRE EL REGULADOR SECUNDARIO DE LA MÁQUINA 1 (↓)
P1
f
P2 P1
fc
PI
P2
REPARTO MÁS EQUITATIVO DE LA CARGA ⎪⎩
⎪⎨
⎧
↑
↓
2
1
P
P
REDUCCIÓN FRECUENCIA DEL CONJUNTO
102
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE ALTERNADORES
SI SE QUIERE RESTABLECER LA FRECUENCIA (PROCESO COMPLETO):
A” B” A
P1
f
CURVA P’1
CURVA P1 B
B’ A’
P1P’1 P”1 P2 P’2 P2 P”2 0
CURVA P2
CURVA P’2 fi
AB(fi) → A’B’(f > fi) → A’’B’’(fi)
103
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE ALTERNADORES
REACTIVA HIPÓTESIS:
• POTENCIA PRIMARIA CONSTANTE • SE VARÍA LA EXCITACIÓN
)(SenX
VE3P 11s
011 δ=
1s
2
11s
011 X
V3)(CosX
VE3Q −δ=
104
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE ALTERNADORES
SE SUPONE V = CTE.
⎪⎭
⎪⎬
⎫
↑↑⇒
=
E I
.CTEP
011exc
1
⇒Sen(δ1) ↓ ⇒ δ1 ↓ ⇒ Cos(δ1) ↑ ⇒ Q ↑ (AUMENTA Q CEDIDA RED)
105
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
MOTORES SÍNCRONOS
GRAVE INCONVENIENTE:
• PARA CUALQUIER VELOCIDAD ≠ SINCRONISMO ⇒ PAR MEDIO NULO • HAY QUE LLEVARLO A VELOCIDAD DE SINCRONISMO
106
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
ARRANQUE MOTOR SÍNCRONO
1) MOTOR AUXILIAR: MOTOR PONY
A) MOTOR ASÍNCRONO
• CON EL MISMO NÚMERO DE POLOS: VELOCIDAD CASI SÍNCRONA
• CON UN PAR DE POLOS MENOS: CONEXIÓN TRAS DESCONECTAR EL MOTOR AUXILIAR AL PASO POR VELOCIDAD DE SINCRONISMO
B) MOTOR CORRIENTE CONTINUA
• REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD
107
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
ARRANQUE
2) ARRANQUE COMO ASÍNCRONOS
JAULA DE ARDILLA EN LOS POLOS “DEVANADO AMORTIGUADOR”
108
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
ARRANQUE
• ARROLLAMIENTO INDUCTOR CORTOCIRCUITADO R’ (↑↑ V, ↑↑ I)
• R’ DE 10 A 15 VECES MAYOR QUE R ARROLLAMIENTO INDUCTOR
• ARRANQUE POR IDÉNTICOS MÉTODOS QUE MOTORES ASÍNCRONOS (Y-Δ, AUTOTRANSFORMADOR)
• SINCRONISMO: CONEXIÓN DEL INDUCTOR ⇒ OSCILACIONES DE
VELOCIDAD ⇒ AUTOSINCRONIZACIÓN • ROTOR SINCRONISMO: DEVANADO AMORTIGUADOR NO TRABAJA
109
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA (MOTORES)
110
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
DIAGRAMA DE LÍMITES DE FUNCIONAMIENTO
SE BASA EN EL DIAGRAMA FASORIAL DE LA MÁQUINA SÍNCRONA TENSIÓN NOMINAL (V), FACTOR DE POTENCIA INDUCTIVO
111
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
DIAGRAMA DE LÍMITES DE FUNCIONAMIENTO
)(ICosXAB s ϕ= P = 3VICos(ϕ)
)(ISenXOA s ϕ= Q = 3VISen(ϕ) ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
sXV3
IXOB s= S = 3VI
112
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
DIAGRAMA DE LÍMITES DE FUNCIONAMIENTO
BASES: SN, VN, Iexc (E0 = VN), IN, B
BB I
VZ =
113
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
DIAGRAMA DE LÍMITES DE FUNCIONAMIENTO
1) PUNTO O ⇒ CIRCUNFERENCIA S = CTE. (I = CTE.)
2) LOCALIZAR PUNTO M ⇒ .)u.p(X
1Qs
M =
3) CENTRO M, CIRCUNFERENCIA Iexc = CTE. 4) DESDE O, RADIALES PARA Cos(ϕ) = CTE. 5) POTENCIA “ACTIVA” (SN, Cos(ϕN)) MÁXIMA MÁQUINA MOTRIZ (ab) 6) LÍMITE S MÁXIMA (SN) ⇒LÍMITE I MÁXIMA 7) LÍMITE Iexc MÁXIMA 8) LÍMITE ESTABILIDAD PRÁCTICO (< 90º): EN CADA CÍRCULO DE
EXCITACIÓN RESTAR 10% SN
114
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
DIAGRAMA DE LÍMITES DE FUNCIONAMIENTO
DETALLE DEL LÍMITE DE ESTABILIDAD PRÁCTICO: LUGAR GEOMÉTRICO DE LOS PUNTOS QUE PARA CADA EXCITACIÓN TIENEN UN 10% DE SN, REPECTO A LA QUE TIENE EN LA RECTA DE ESTABILIDAD TEÓRICA
OTROS AUTORES: δmax = 60º (CTE.)
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