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Universidad de Oviedo
Tema VIII: La máquina
síncrona
Dpto.
Dpto. de
de Ingeniería
Ingeniería Eléctrica,
Eléctrica,
Electrónica
Electrónica de
de Computadores
Computadores yy
Sistemas
Sistemas
8.1. La máquina síncrona:
generalidades I
La máquina síncrona utiliza un
estator constituido por un
devanado trifásico distribuido
a 120º idéntico a la máquina
asíncrona
El rotor puede ser liso o de polos
salientes
El rotor está formado
por un devanado
alimentado desde el
exterior a través de
escobillas y anillos
rozantes mediante
corriente continua
Industrialmente es el generador utilizado en la mayoría de las
centrales eléctricas: turboalternadores y grandes alternadores
hidráulicos
Como motor se usa principalmente cuando la potencia
demandada es muy elevada >1 MW
8.1. La máquina síncrona:
generalidades II
Rotor
Rotor
liso
liso
Líneas de
campo
Rotor
Rotor de
de
polos
polos
salientes
salientes
Sentido de las
corrientes por
el rotor
S
N
N
N
S
S
Elevadas
Elevadas velocidades
velocidades de
de
giro:
giro: turboalternadores
turboalternadores
Velocidades
Velocidades de
de giro
giro
bajas
bajas
Motores síncronos
Catá
Catálogos comerciales
Generadores
síncronos I
 L. Serrano: Fundamentos de
máquinas elé
eléctricas rotativas
 L. Serrano: Fundamentos de
máquinas elé
eléctricas rotativas
 L. Serrano:
Fundamentos de
máquinas elé
eléctricas
rotativas
Generadores síncronos II
 L. Serrano: Fundamentos de
máquinas elé
eléctricas rotativas
 Mulukutla S. Sarma:
Sarma: Electric
machines
Corte transversal de
una central hidráulica
Rotor
 Mulukutla S. Sarma:
Sarma: Electric
machines
8.2. Principio de funcionamienESTATOR=
ESTATOR= Devanado
Devanado trifásico
trifásico
to: motor
distribuido
distribuido alimentado
alimentado con
con un
un
EL ROTOR GIRA A LA
MISMA VELOCIDAD QUE
EL CAMPO: VELOCIDAD
DE SINCRONISMO
60 ⋅ f
NS =
P
Controlando la excitación
(tensión de alimentación
del rotor) se consigue
que la máquina trabaje
con cualquier factor de
potencia: PUEDE
ABSORBER O CEDER Q
sistema
sistema trifásico
trifásico de
de tensiones
tensiones
CAMPO
CAMPO MAGNÉTICO
MAGNÉTICO GIRATORIO
GIRATORIO
ROTOR=
ROTOR= Devanado
Devanado alimentado
alimentado
con
con corriente
corriente continua
continua que
que crea
crea
un
un campo
campo magnético
magnético fijo
fijo
INTERACCIÓN
INTERACCIÓN ROTOR
ROTOR -- ESTATOR
ESTATOR
PAR
PAR MOTOR
MOTOR Y
Y GIRO
GIRO DE
DE LA
LA MÁQUINA
MÁQUINA
8.3. Principio de funcionamienESTATOR=
ESTATOR= Devanado
Devanado trifásico
trifásico
to: generador distribuido
distribuido conectado
conectado aa la
la carga
carga
N
f =P
60
o
o red
red que
que se
se desea
desea alimentar
alimentar
P=PARES DE POLOS
N=VELOCIDAD DE
GIRO
Para conectar el generador a
una red es necesario que gire
a la velocidad de sincronismo
correspondiente a la
frecuencia de dicha red
Controlando la excitación
(tensión de alimentación del
rotor) se consigue que la
máquina trabaje con
cualquier factor de potencia:
PUEDE ABSORBER O CEDER Q
ROTOR=
ROTOR= Devanado
Devanado alimentado
alimentado
con
con corriente
corriente continua
continua que
que crea
crea
un
un campo
campo magnético
magnético fijo.
fijo. Se
Se
hace
hace girar
girar por
por un
un medio
medio externo
externo
El
El campo
campo creado
creado por
por el
el rotor,
rotor,
al
al girar,
girar, induce
induce FEM
FEM en
en el
el
estator
estator y,
y, por
por tanto,
tanto, hace
hace
circular
circular corriente
corriente por
por la
la carga
carga
TRANSFORMACIÓN
TRANSFORMACIÓN DE
DE ENERGÍA
ENERGÍA
MECÁNICA
MECÁNICA EN
EN ENERGÍA
ENERGÍA ELÉCTRICA
ELÉCTRICA
8.4. Circuito equivalente (por
fase) de la máquina síncrona
Reactancia síncrona= reactancia dispersión
estator+efecto de reacción de inducido
Reactancia Resistencia
síncrona
estator
jX
jXss
IIGG
R
Rss
A
++
V
V
E
E
Funcionamiento
como generador
B
jX
jXss
IIMM
R
Rss
++
A
V
V
E
E
Funcionamiento
como motor
B
La FEM E es proporcional a la corriente de excitación del rotor. En funcionamiento como generador representa a la tensión que se induce en
el estator y en funcionamiento como motor a la fuerza contraelectromotriz que es necesario “vencer” para que circule la corriente que
alimenta al motor
8.5. El generador síncrono en vacío
Reactancia Resistencia
estator
síncrona
jX
jXss
IIGG
R
Rss
A
++
V
V
E
E
Funcionamiento
como generador
B
Cuando el generador trabaja en vacío
no hay caída de tensión: la tensión
de salida coincide con la FEM E
E = K ⋅ ϕ⋅N
20
kV
Tensión en vacío V
15
18kV
18kV
390MVA
390MVA
3000RPM
3000RPM
10
5
VELOCIDAD
DE GIRO
Iexc
exc
500
FLUJO
PROPORCIONAL A IEXC
1000
1500 2000
8.6. El generador síncrono en
carga: reacción de inducido I
Cuando el alternador trabaja en vacío el único flujo existente
es el producido por la corriente continua de excitación del rotor
Cuando suministra corriente a
una carga, dicha corriente
produce un campo magnético
giratorio al circular por los
devanados del estator.
Este campo produce un par
opuesto al de giro de la
máquina, que es necesario
contrarrestar mediante la
aportación exterior de potencia
mecánica.
El flujo total de la máquina
se verá disminuido o
aumentado dependiendo
que la carga sea inductiva
o capacitiva
A este efecto creado por el
campo del estator se le
conoce con el nombre de
“reacción de inducido”
8.6. El generador síncrono en
carga
II
E
jX
R
jX
R
ss
IIGG
ss
jXss
A
Carga
Carga resistiva
resistiva
++
V
V
E
E
I
U
RI
Carga
Funcionamiento
Funcionamiento
como
como generador
generador
B
PARA UNA MISMA TENSIÓN DE SALIDA EL
GENERADOR PUEDE CEDER O ABSORBER
POTENCIA REACTIVA DEPENDIENDO DE
QUE LA CARGA SEA INDUCTIVA O
CAPACITIVA
Para conseguirlo basta modificar el valor de
la E (modificando el campo de excitación)
E
jXss
Carga
Carga Inductiva
Inductiva
U
I
RI
E
jXss
I
Carga
Carga capacitiva
capacitiva
U
RI
8.6.1. El generador síncrono en
carga: funcionamiento aislado
FUNCIONAMIENTO
AISLADO
Aumento en
la excitación
Aumento en
la tensión de
salida
Aumento en
potencia
mecánica
EL GENERADOR ALIMENTA
A UNA CARGA DE FORMA
INDEPENDIENTE
La tensión de
alimentación
puede variar
El factor de
potencia de la
carga es fijo
Aumento en
la velocidad
de giro
Aumento en
la frecuencia
8.6.1. El generador síncrono en
carga: conexión a red de P. infinita
CONEXIÓN A RED
DE POTENCIA
INFINITA
Aumento en
la excitación
Aumento en
la POTENCIA
REACTIVA
ENTREGADA
Aumento en
potencia
mecánica
Aumento de
la POTENCIA
ACTIVA
ENTREGADA
EL GENERADOR ESTÁ CONECTADO
A OTRA RED EN LA QUE ACTÚAN
OTROS GENERADORES: SU
POTENCIA ES MUY PEQUEÑA
RESPECTO DE LA TOTAL DE LA RED
La tensión de
alimentación
ESTÁ FIJADA
POR LA RED
La frecuencia
ESTÁ FIJADA
POR LA RED
LA TENSIÓN U
ESTÁ FIJADA
POR LA RED
1
3
SOBREXCITACIÓN
E
jXI
jXI
NORMAL
3
E
ϕϕ
i
i
U
jXI
jXI
U
2
SUBEXCITACIÓN
ϕϕ
GENERADOR
SOBREXCITADO
E
RI
RI
α
α
jXI
jXI
U
RI
RI
GENERADOR SUBEXCITADO
REDUCCIÓN DE LA
POTENCIA REACTIVA
SUMINISTRADA
2
i
ϕϕ α
α
AUMENTO
AUMENTO CORRIENTE
CORRIENTE
AUMENTO
ϕ
AUMENTO DEL
DEL ÁNGULO
ÁNGULO ϕ
AUMENTO DE LA
POTENCIA REACTIVA
SUMINISTRADA
RI
RI
8.7. Variación de la velocidad
en los motores síncronos
El motor síncrono gira a la
velocidad de sincronismo
60*f/p
CICLOCONVERTIDORES
APLICACIONES DE ELEVADA POTENCIA (>1 MW):
GRANDES MÁQUINAS
(Soplantes, compresores,
etc.) Y PROPULSIÓN
ELÉCTRICA BUQUES
INVERSORES
Motores gran
potencia
Motores baja
potencia
PARA VARIAR LA
VELOCIDAD ES
NECESARIO VARIAR
LA FRECUENCIA
DE ALIMENTACIÓN
UTILIZACIÓN
DE
EQUIPOS
ELECTRÓNICOS
Cicloconvertidores
6,6
6,6 kV/1
kV/1 kV
kV
T1
T1
T3
T3
T5
T5
T4
T4
T6
T6
T2
T2
00 –– 860
860 VV
00 –– 17
17 Hz
Hz
T4
T4
+
T2
T2
T1
T1
T3
T3
T5
T5
MOTOR
MOTOR
ASÍNCRONO
ASÍNCRONO
6,6
6,6 kV
kV
50
Hz
50 Hz
V
VRR +
T6
T6
6,6
6,6 kV/1
kV/1 kV
kV
T1
T1
T3
T3
T5
T5
T4
T4
T6
T6
T2
T2
T4
T4
T6
T6
T2
T2
T1
T1
T3
T3
T5
T5
++
++
V
VTT
6,6
6,6 kV/1
kV/1 kV
kV
T1
T1
T4
T4
T3
T3
T6
T6
T5
T5
T2
T2
T4
T4
T1
T1
T6
T6
T3
T3
T2
T2
T5
T5
Devanado
Devanado de
de
excitación
excitación
00 –– 520
520 VV
00 –– 600
600 A
A
Cicloconvertidor
fabricado por ABB
para el control de
motores síncronos
de hasta 14 MW
8.8. Funcionamiento del
cicloconvertidor
SISTEMA DE TENSIONES
TRIFÁSICO QUE
ALIMENTA AL
CICLOCONVERTIDOR
(Frecuencia de red y
amplitud constante)
TENSIÓN RESULTANTE DE LA
CONMUTACIÓN DEL
CICLOCONVERTIDOR
(Frecuencia y amplitud variables)
M/S FANTASY
PROPULSIÓN ELÉCTRICA
Motores
Motores
transversales
transversales
Tipo de propulsión:
•• Diesel-eléctrica
Diesel-eléctrica
•• 4
4 Motores
Motores principales
principales
•• 2
2 Motores
Motores auxiliares
auxiliares
•• Hélices
Hélices de
de paso
paso variable
variable
Planta
Planta
generadora
generadora
Catá
Catálogos comerciales
Motores
Motores
transversales
transversales
Planta generadora:
•• 4
4 Generadores
Generadores síncronos
síncronos de
de 10,3
10,3 MVA
MVA
•• 2
2 Generadores
Generadores síncronos
síncronos de
de 6,8
6,8 MVA
MVA
•• Tensión=6,6
Tensión=6,6 kV
kV
Motores:
•• Síncronos
Síncronos de
de doble
doble devanado
devanado controlados
controlados con
con cicloconvertidores
cicloconvertidores
•• 2
2 Motores
Motores principales
principales de
de 14
14 MW
MW refrigerados
refrigerados por
por agua
agua
•• 6
6 Motores
Motores transversales
transversales de
de 1,5
1,5 MW
MW