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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