I INSTITUTO TECNOLOGICO DE CANCUN Carrera: ING. MECATRONICA Materia: MAQUINAS ELECTRICAS Catedrático: CESAR MORALES RAMIREZ Tema: MAQUINAS SINCRONAS Integrantes: BALDERAS PECH ANTONIO DELGADO AGUILAR ARTURO JIMENEZ GOMEZ JULIO CESAR JIMENEZ HERNANDEZ ZINDHEL OMAR MORALES CARDONA JUSTO MIGUEL PEREZ MONROY LUIS ANGEL Fecha: 08/06/12
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I
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CANCUN
Carrera: ING. MECATRONICA
Materia: MAQUINAS ELECTRICAS
Catedrático: CESAR MORALES RAMIREZ
Tema: MAQUINAS SINCRONAS
Integrantes:
BALDERAS PECH ANTONIO
DELGADO AGUILAR ARTURO
JIMENEZ GOMEZ JULIO CESAR
JIMENEZ HERNANDEZ ZINDHEL OMAR
MORALES CARDONA JUSTO MIGUEL
PEREZ MONROY LUIS ANGEL
Fecha: 08/06/12
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Introducción
Los generadores síncronos o también conocidos como alternadores, son máquinas
utilizadas para transformar la energía mecánica en energía eléctrica de corriente
alterna. Estos tienen dos términos muy utilizados para describir los devanados. Se les
debe suministrar una corriente directa al circuito del capo del rotor. Puesto que el rotor
está girando. En esencia, el rotor de un generador síncrono es un gran electroimán. Los
estatores de los generadores síncronos se construyen normalmente con devanados
perforados en doble capa. Se les llama síncronos por la frecuencia eléctrica producida
está entrelazada o sincronizada con la tasa mecánica de rotación del generador. Un
rotor de generador sincrónico consta de un electroimán al cual se suministra corriente
directa. El campo del rotor apunta en cualquier dirección según el rotor.
Los voltajes en un generador sincrónico son alternos, y usualmente se expresan como
fasores los cuales tienen una magnitud y ángulo, la relación entre ellos debe ser
expresada por un dibujo bidimensional.
Los generadores síncronos son una maquina sincronizada utilizada como generador
para convertir la potencia mecánica en potencia eléctrica trifásica. La fuente mecánica
puede ser un motor de combustión interna, pero debe cumplir la propiedad básica de
que la velocidad sea constante independientemente de la demanda de potencia, de no
ser así la frecuencia resultante del sistema de potencia podría tener fallas.
La diferencia entre la potencia de entrada y la potencia de salida, representa las
pérdidas de la maquina
Los motores síncronos son máquinas de dos polos que transforman la fuerza eléctrica
en fuerza mecánica. La corriente es inducida en el estator por un conjunto trifásico de
voltajes.
Los motores Síncronos son exactamente iguales a los generadores en todo, incluso en
las ecuaciones básicas de velocidad, potencia y par. Su única diferencia entre ellos es
que el motor gira de manera inversa al giro del generador
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Índice
Introducción i
Objetivo general y específico 4
Justificación 5
Planteamiento del problema 7
Alcances y limitaciones. 9
Marco Teórico 11
1.1 Antecedentes 11
1.2 Generador síncrono 13
1.3 Construcción de una maquina síncrona 15
1.4 Devanados de la armadura 17
1.5 Factor de paso 19
1.6 Factor de distribución 20
1.7 Conexiones de los devanados 21
1.8 El circuito equivalente 22
1.9 Relación de potencia 24
1.10 Pruebas de generadores síncronos 26
1.11 Motor síncrono construcción y operación. 28
1.12 Circuito equivalente de un motor síncrono 33
1.13 Regulación y puesta en marcha de la maquina síncrona 37
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OBJETIVOS GENERALES
Recolectar información académica, técnica y confiable para conocer el
funcionamiento, sus características, componentes así como sus aplicaciones de las
maquinas síncronas.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Conocer el funcionamiento y su aplicación de un motor síncrono mediante la
recolección de información académica.
Analizar su funcionamiento mediante los ejemplos recabados en la investigación.
Conocer el funcionamiento y aplicación de un generador síncrono mediante la
recolección de información académica.
Analizar el funcionamiento básico de un generador mediante los ejemplos
recabados en la investigación.
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Justificación
Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotatorias muy necesarias dentro de
ámbito rural y urbano y son sinónimo del desarrollo humano desde que fue puesto en
marcha por el ingeniero Tesla en 1887, siendo ya el año 2012 no imaginamos un
mundo corriente eléctrica abasteciendo a nuestros hogares y a las empresas,
simplemente el mundo avanzado como lo conocemos se detendría, los avances serian
bástate lentos, la tasa de mortalidad se dispararía ya que la producción en masa de
vacunas, medicinas y antídotos sería bastante lenta y costosa, el humano seguramente
se las ingeniaría y usaría otros métodos como las máquinas de combustión interna pero
no cubriría todas las necesidades y generaría algunos malestares que son mucho
menores en las maquinas síncronas ya que las máquinas de combustión interna son
bastante ruidosas y contaminan en demasía, si bien las maquinas síncronas son
combinadas actualmente con las de combustión interna en generadores a Diesel no son
las principales generadoras, ahora veremos que los motores transforman la energía
eléctrica en energía mecánica. Debido a sus múltiples ventajas, entre las que cabe citar
su economía, limpieza, comodidad y seguridad de funcionamiento, el motor eléctrico ha
remplazado en gran parte a otras fuentes de energía, tanto en la industria como en el
transporte, las minas, el comercio, o el hogar.
El uso de los motores eléctricos se ha generalizado a todos los campos de la actividad
humana desde que sustituyeran en la mayoría de sus aplicaciones a las máquinas de
vapor. Existen motores eléctricos de las más variadas dimensiones, desde los motores
de inducción, motores sincrónicos y motores de colector. Tanto unos como otros
disponen de todos los elementos comunes a las máquinas rotativas electromagnéticas.
En este trabajo se encuentran las principales definiciones, características, usos y
ventajas de los motores sincrónicos. Las maquinas síncronas satisfacen una amplia
gama de necesidades de servicio, siendo usadas principalmente en lugares en donde
se requiere una gran cantidad de potencia a gran escala.
El generador síncrono es un tipo de máquina eléctrica rotativa capaz de transformar
energía mecánica (en forma de rotación) en energía eléctrica. El generador síncrono
está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y de una parte fija o estator,
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ya que el motor síncrono es igual físicamente al generador, las ecuaciones básicas de
velocidad, potencia y par son las mismas. La única diferencia es que el sentido de flujo
de potencia (y por lo tanto el sentido de la corriente de carga) es opuesto para el motor.
Siendo las maquinas síncronos son grandes instrumentos literalmente tanto de
generación eléctrica como de trabajo con alta eficiencia y practicidad, se dedica este
trabajo a ahondar sobre ellos, su funcionamiento, modelación matemática, desempeño,
y los materiales usados para su construcción.
El propósito de esta investigación es la de entender los principios de funcionamiento de
las máquinas de síncronas, realizar cálculos como el voltaje de excitación por fase y el
generado por fase, la potencia desarrollada debido a la excitación a la estructura de
polos salientes, potencia total, perdida por rotación, potencia alimentada, su eficiencia,
el par, saber el efecto de la excitación, corriente, corrección de potencia, regulación de
voltaje etc... tanto en motores síncronos como en generadores síncronos con el fin de
contribuir a la formación del grupo de ingeniería en Mecatrónica del tecnológico de
Cancún ya que la Mecatrónica abarca áreas de competencia como la mecánica,
electrónica control e informática viniendo implícita materias como maquinas eléctricas.
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Planteamiento del problema
Esta investigación se enfocara en saber cuál es el principio y el análisis tanto de los
motores como de los generadores síncronos, desde cuales fueron los antecedentes de
los generadores síncronos como también de los motores, al igual que también como
han ido cambiando con la historia y cuál es su funcionamiento y piezas principales
actualmente. Algo de lo que también podremos ver en esta investigación es la
regulación y la puesta en marcha de lo que es en general una maquina eléctrica, se
verán tanto fórmulas como los diagramas de los circuitos de cada uno.
En la actualidad la máquina síncrona está compuesta básicamente de una parte activa
fija que se conoce como inducido o ESTATOR y de una parte giratoria coaxial que se
conoce como inductor o ROTOR. El espacio comprendido entre el rotor y el estator, es
conocido como entrehierro. Esta máquina tiene la particularidad de poder operar como
motor y como generador.
Su operación como alternador se realiza cuando se aplica un voltaje de corriente
continua en el campo de excitación del rotor y a su vez éste es movido o desplazado
por una fuente externa, que da lugar a tener un campo magnético giratorio que
atraviesa o corta los conductores del estator, induciéndose con esto un voltaje entre
terminales del generador.
Su operación como motor síncrono se realiza cuando el estator es alimentado con un
voltaje trifásico de corriente alterna y consecutivamente el rotor es alimentado con un
voltaje de corriente continua.
Algunos de los inconvenientes que presentan las maquinas síncronas son los
siguientes:
Como motor, si queremos una “n” variable, la frecuencia ha de ser variable. Esto
antes era muy muy complicado, ahora hay variadores de frecuencia electrónicos,
pero sigue siendo costoso.
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Las máquinas síncronas no pueden arrancar por sí mismas y luego han de
llevarse a la velocidad de sincronismo. Por eso hace falta una instalación
adicional complicada y una maniobra compleja.
Las variaciones bruscas de carga pueden hacer perder el sincronismo entre “n” y
“f”, haciendo que “n” disminuya hasta pararse.
Estos 3 motivos anteriores hacen que sea poco adecuado como motor conectado
directamente a la red. No obstante, en los últimos años y gracias al descubrimiento de
nuevos materiales, se están construyendo motores síncronos sin devanado en la
excitación, es decir, con imanes permanentes en el rotor. Sus ventajas son:
a. Ausencia de anillos rozantes y escobillas (piezas móviles). Se reducen
problemas de revisión y mantenimiento.
b. Al no haber devanado en el rotor se eliminarán las pérdidas por efecto
Joule en el rotor, aumentando el rendimiento y reduciendo los problemas
de refrigeración.
Y los inconvenientes son:
a. Desmagnetización por las altas intensidades y/o temperaturas.
b. No se puede variar la excitación al ser fija.
c. Elevado precio de materiales. Sólo viables hasta 10 kW.
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Alcances y limitaciones
Alcances
La investigación se realizara con base al libro “Maquinas eléctricas y transformadores”
bhags s. guru huseyin R. Hiziroglu entrando temas contenido en el libro que se
mencionaran a continuación:
Generadores síncronos
-Construcción de una maquina síncrona
-Devanados de la armadura
-Factor de potencia
-Factor de distribución
-Conexiones de los devanados
-Ecuación de la fem inducida
-El circuito equivalente
-Relaciones de potencia
-Pruebas de generadores síncronos
Motores síncronos
-Construcción y operación de un motor síncrono
-Circuito equivalente de un motor síncrono
-Expresiones de la potencia
-Motor síncrono de polos salientes
-Condición exacta para potencia máxima
-Efectos de la excitación
-Corrección del factor de potencia
En donde se incluyen ejercicios resueltos por los autores, así como gráficos realmente
ilustrativos y acatados adecua para así mejorar el aprendizaje de los temas
Limitaciones
Al momento de realizar la investigación solo se tubo opción de escoger un libro de dos
-“Maquinas eléctricas y transformadores” de los autores bhags s. guru y huseyin R.
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Hiziroglu
o
-“Maquinas Eléctricas” de Stephen J. Chapman
En cuyos libros se desarrollan y explican los temas de máquinas eléctricas. Esta
investigación se limitara a desarrollarse en el libro “Maquinas eléctricas y
transformadores” de los autores bhags s. guru y huseyin R., se realizara una síntesis
de cada tema y formula.
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Marco Teórico
Antecedentes históricos.
La generación y utilización de las corrientes eléctricas han permitido a la humanidad,
cambiar de forma radical su forma de vida.
Durante 1831 y 1832, Michael Faraday descubrió que un conductor eléctrico
moviéndose perpendicularmente a un campo magnético generaba una diferencia de
potencial. Aprovechando esto, construyó el primer generador electromagnético, el disco
de Faraday, un generador homopolar, empleando un disco de cobre que giraba entre
los extremos de un imán con forma de herradura, generándose una, esencia de los
modernos generadores y motores.
En 1888
Nikola Tesla (1857-1943) figura 1.1. Serbio-Americano inventor e investigador quien
desarrolló la teoría de campos rotantes, base de los generadores y motores polifásicos
de corriente alterna.
A Tesla se le puede considerar, sin ninguna duda, como padre del sistema eléctrico
que hoy en día disfrutamos.
Tesla es la unidad de medida de la densidad de flujo magnético.
Figura 1.1 Nikola Tesla
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Algunas de sus patentes (+700):
En 1888 Motor de inducción, la mejora del dinamo, el método para convertir y distribuir
corrientes eléctricas.
En 1890 el Motor de corriente alterna.
En 1892 el Sistema de transmisión de potencia.
En 1894 el Generador eléctrico.
En 1896 el Equipo para producir corrientes y tensiones de alta frecuencia.
En 1897 mejoras en el transformador eléctrico.
Los derechos de sus patentes sobre sus sistemas de corriente alterna,
transformadores, motores y generadores, los vendió a George Westinghouse (1846-
1914) fundador de Westinghouse Company, pionera en el desarrollo comercial de la
corriente alterna.
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GENERADOR SINCRONO
Al operar como generador, la es suministrada a la máquina por la aplicación de un
torque y por la rotación del eje de la misma, una fuente de energía mecánica puede ser,
por ejemplo, una turbina hidráulica, a gas o a vapor. Una vez estando el generador
conectado a la red eléctrica, su rotación es dictada por la frecuencia de la red, pues la
frecuencia de la tensión trifásica depende directamente de la velocidad de la máquina.
Para que la máquina síncrona sea capaz de efectivamente convertir energía mecánica
aplicada a su eje, es necesario que el enrollamiento de campo localizado en el rotor de
la máquina sea alimentado por una fuente de tensión continua de forma que al girar el
campo magnético generado por los polos del rotor tengan un movimiento relativo a los
conductores de los enrollamientos del estator.
Debido a ese movimiento relativo entre el campo magnético de los polos del rotor, la
intensidad del campo magnético que atraviesa los enrollamientos del estator irá a variar
el tiempo, y así tendremos por la ley de Faraday una inducción de tensiones en las
terminales de los enrollamientos del estator.
Debido a distribución y disposición espacial del conjunto de enrollamientos del estator,
las tensiones inducidas en sus terminales serán alternas sinodales trifásicas.
La corriente eléctrica utilizada para alimentar el campo es denominada corriente de
excitación. Cuando el generador está funcionando aisladamente de un sistema eléctrico
(o sea, está en una isla de potencia), la excitación del campo irá a controlar la tensión
eléctrica generada. Cuando el generador está conectado a un sistema eléctrico que
posee diversos generadores interligados, la excitación del campo irá a controlar la
potencia reactiva generada.
Los generadores de corriente alterna (ca) suelen recibir el nombre de generadores
síncronos o alternadores. Una maquina síncrona, ya que sea generador o motor, opera
a velocidad síncrona, es decir una velocidad a la que gira el campo magnético creado