LA MQUINA DE CORRIENTE ALTERNA EL GENERADOR DE CORRIENTE ALTERNA CONSTITUCIN GENERAL DE LA MQUINA DE CORRIENTE ALTERNA EL GENERADOR SINCRNICO Los dos tipos de generador de corriente alterna MQUINA ROTOR DE POLO SALIENTE Inducido en el estator Campo en el rotor + V - i i Norte Sur MQUINA ROTOR BOBINADO Inducido en el rotor Campo en el estator N S E. v| + V - IMGENES COMPOSICIN DE LA MQUINA SINCRNICA DE ROTOR DE POLO SALIENTE Estator de ncleo liso con parte de bobinado trifsico Forma de las bobinas para un ncleo de polo saliente Rotor de polo saliente con bobinas IMGENES COMPOSICIN DE LA MQUINA SINCRNICA DE ROTOR LISO Forma de las bobinas para un ncleo de polo saliente Forma de inducido de la mquina sincrnica de rotor liso Formadelcampodelamquina sincrnica de rotor liso, Tieneunncleodepolosaliente paradospolosyseincluyenlas bobinas 4 anillos rozantes Forma de ncleo de rotor liso Anlisis de funcionamiento del alternador de rotor de polo saliente Lainduccindefuerza electromotrizsedaporel MOVIMIENTORELATIVODEL CONDUCTORCONRESPECTOAL CAMPO Ladireccindelavelocidaddel campoconrespectoalabobina delinducidopermanece constante Alhacergirarelcampoenel rotorladireccindelcampoque atraviesalabobinaenelestator cambia de direccin N S v | Anlisis de la f.e.m. inducida por un campo magntico que gira respecto a una bobina fija N S v| (a) N S | v (b) E. N S | v S N |v (d) E. ( c ) E et a c b d e N S v| (e) La mquina es de dos polos y requiere una vuelta completa para generar un ciclo de onda senoAnlisis de la frecuencia de la onda generada (a) | N N S S v | S S N N (b) ( c )(d) (e) E et a e bc d En las figuras de la (a) hasta la (e)puedeobservarsequeelrotor ha dado media vuelta y ya sehageneradounaonda completa. ( ver polo marcado ). Aldarunavueltasegeneran dos ondas senoidales (2 ciclos) RELACIN FRECUENCIA VELOCIDAD Y NMERO DE POLOS # de polos # pares polos Vueltas /ciclo Equivalencia 60 Hz RPM 60 HZRPM para fHz 211/160/160*(60/1)=3600 60*(f / 1)421/260/260*(60/2) =1800 60*(f / 2)631/360/360*(60/3) =1200 60*(f / 3)2PP1/P60/P60*(60/P) 60*(f / P)La velocidad de giro del rotor de la mquina sincrnica se denomina velocidad sincrnica En trminos de la frecuencia y el nmero de PARES DE POLOS de la mquina la velocidad sincrnica esta dada por:Pfg60= qqg : velociad sincrnica. Velocidad de giro de la mquina sincrnica f: frecuencia de la onda generada P: Nmero de PARES DE POLOS de la mquina Rotor y estator de un generador sncrono 2500kW, 48 Polos, 6 kV 75 MVA 13.8 kV 357 MVA 220 kV 8,274 KVA 6600 V 24 MVA 13.8 kV Anlisis de la f.e.m. inducida en tres devanados desfasados entre ellos 1200 Para la posicin inicial representada la F. E. M. de la fase roja esta en cero, la faseazulest300despusdesuvalormximopositivoporquehace300 estuvo enfrentada al polo norte y la fase verde est a 300 de su valor mximo negativo, ya que en 300 estar enfrentada al polo sur N S v| T R S RS E. t T SECUENCIA DE FASE N S T R S RS E. T t S N T R S RT E. t S Sedenomina secuenciadefasesal ordenenquese generanlasfasesen un alternador trifsico. Enelprimercaso,y partiendo de la fase R, elnorteatraviesalos polos en el orden RST. Alinvertirelsentido degiroypartiendode lamismafaseRel nortepasaporlas fases en el orden RTS. Si se invierte el sentido de giro del generador se invertir la secuencia de fase Al intercambiar la posicin de dos de las fases se invertir la secuencia de fase. Invertir el campo de la mquina no invierte la secuencia de fase INVERTIR EL SENTIDO DEL CAMPO NO CAMBIA LA SECUENCIA DE FASE N S T R S RS E. t T S N T R S RT E. t S MAGNITUD DE LA F.E.M. INDUCIDA ( ) Voltios l v N E810- = |o | sen l v N E - - - - - =810o | q senPEp g * * 10 *6028 =* *g pE K sen t q e =2* * f e t =pfg60= qANLISIS DE LA MAGNITUD DE LA F.E.M. GENERADA La magnitud de la f.e.m. generada depende de la velocidad de giro del generadory de la magnitud del flujo polar. Si se desea hacer variaciones de la magnitud de la f.e.m. se debe variar la magnitud del flujo polar |p , si se hacen variaciones en la velocidad se estar variando tambin la frecuencia de la onda generada. Deigualmanerasisedeseavariarlafrecuenciadelaondasedeber variarlavelocidaddegirodelamquinayluegomediantevariaciones del campo se deber ajustar la magnitud del voltaje Ellmitemximodevelocidaddelamquinaestdeterminadopor condiciones mecnicas de la mquina Ellmitemximodeflujopolarestadeterminadoporlasaturacindel ncleo de la mquina Dado que el campo de la mquina est alimentado con C.D. existir un flujo remanente que producir un voltaje remanenteCURVAS DE MAGNETIZACIN DEL GENERADOR Lacurvademagnetizacinpermiteencontrarelvoltajemximoque puede entregar el alternador sin carga para diferentes velocidades Pasos para construir la curva de magnetizacin: 1. Poner a girar la mquina a la velocidad que se desea la curva. 2. Medirelvoltajedefaseodelneagenerado.Dadoquenoseha conectado el campo este es el voltaje remanente, producido por el flujo remanente de la mquina. 3. Conectarelcampoaunafuentedecorrientedirectaquepermita variarelvoltajedesalidaoaunadevoltajefijoatravsdeun restato. 4. Aplicarpocoapocovoltajealcampodelamquinamientrasse tomanvaloresdevoltajegenerado(valoresdelneaodefase)y corriente de entrada al campo (Iexc). 5. Dibujar los datos en un plano coordenado en el cual la corriente de excitacin son las abscisas y el voltaje generado son las ordenadas.CURVA DE MAGNETIZACIN DEL GENERADOR POR FASE Erem Iexc Parte lineal Codo Lnea de saturacin ENom f.e.m., E Iexc q2 q3 q1 Erem3 Erem1 Erem2 El voltaje nominal del alternador para cada velocidad se ubica por lo general en la mitad del codo de la curva Para cada velocidad se obtiene una curva de magnetizacin Para cada velocidad se tiene una frecuencia de la onda generada Fundamentos Circuitos AC Resistiva Este tipo de carga es la ms comna nivel domiciliarioyse caracteriza por convertir toda la energa elctrica en calor. Capacitiva Estetipodecargaseencuentraensumayoraanivel industrial y se caracteriza por almacenar energa. Inductiva Estetipodecargatambinseencuentraanivelindustrial, aunquetambinseencuentraenmenorescalaanivel comercialyresidencialysecaracterizanporconsumir energa reactiva. Tipos de Cargas Potencia y Factor de Potencia Potencia Eslarazndecambiodelaenergaconrespectoaltiempoenfuncindelvoltajeyla corriente en una carga. Tipos de Potencia PotenciaActivaoReal:Eslapotenciaquerepresentalaverdaderacapacidadde convertirlaenergaelctricaenalgntrabajocomoiluminacin,mecnicootrmico. Se designa con la letra P y su unidad es el Watt. Potencia Reactiva: Esta potencia se utiliza para la formacin de los campos elctrico o magntico necesario para la operacin de ciertas cargas y va hacia y desde la carga. Se designa con la letra Q y su unidad es el Var (Voltamperio reactivo). PotenciaAparente:Estapotenciaeslaresultantedelapotenciaactivaylareactiva (suma vectorial). Se designa con la letra S y su unidad es el VA (Voltamperio). Factor de Potencia Elfactordepotenciaeslarelacinexistenteentrelapotenciarealo activa y la potencia aparente en una carga. Hace referencia al coseno del ngulo entre el voltaje y la corriente de una carga. Laimportanciadelfactordepotenciaradicaenquepuededeterminarel consumo de corriente de una carga de determinada potencia y por lo tanto las condiciones necesarias para su alimentacin. Dependiendodeltipodecargalacorrientepuedeestarenfase,en adelantooenatrasoconrespectoalvoltajedelacargaydeacuerdoa esto el factor de potencia puede ser en fase, en adelanto y en atraso. Potencia y Factor de Potencia Comportamiento de las Cargas Fasor:esunarepresentacin grfica de un nmero complejo que seutilizapararepresentaruna oscilacin. Losvoltajesycorrientesdeuna cargaencircuitodecorriente alterna son fasores. Fasores Comportamiento Fasorial Cargas En las cargas resistivas la corriente y el voltaje estn en fase, por lo tanto su factor de potencia es 1. En las cargas capacitivas la corriente adelantaalvoltaje,porlotantosu factor de potencia est entre 0 y 1. Enlascargasinductivaslacorriente atrasaalvoltaje,porlotantosu factor de potencia est entre 0 y 1. V I V I IV Potencia y Factor de Potencia Clculo de Potencias para Cargas Monofsicas Potencia Activa: Potencia Reactiva: Potencia Aparente: Tringulo de Potencias Impedancia Eslaoposicinalpasodecorrientequeconstadedoscomponentes,la resistenciaylareactancia.Porlotantocorrespondealasumadeuna componente resistiva y una componente reactiva y esta dada en ohms (). Z=R+jX ReactanciaEs la oposicin al paso de una corriente de naturaleza alterna en elementos inductivos y capacitivos. Inductancia: Capacitancia: LX j L e =1CX j Cj Cee= = Conexiones en Circuitos 3F Conexin Y Relacin de voltajes y corrientes de lnea y fase Conexin Y 33 cos 3 cosf f L LP VI V I|| | = =33 sin 3 sinf f L LQ VI V I|| | = =33 3f f L LS VI V I| = =3*L fV V =L fI I =Conexin Delta Relacin de voltajes y corrientes de lnea y fase Conexin Delta 33 cos 3 cosf f L LP VI V I|| | = =33 sin 3 sinf f L LQ VI V I|| | = =33 3f f L LS VI V I| = =3*L fL fV VI I==Conexiones en Circuitos 3F Voltajesdefase:sonlosvoltajesqueexistenentre cada fase y el neutro Voltajes de lnea: son los voltajes que existen entre diferentes fases. Corrientesdelnea:sonlascorrientesquecirculan por cada una de las 3 lneas del sistema trifsico de la fuente a la carga. Corrientesdefase:sonlascorrientesquecirculan por cada fuente o cada carga del sistema trifsico. Variables en Circuitos 3F Circuito Equivalente Generador Sncrono Xs=jLreactancia sincrnica La reactancia sincrnica representa el efecto de reaccin de inducido en el circuito equivalente del generador. Este circuito representa una fase del generador. Diagramas fasoriales del generador con carga Carga resistiva jXsIa jXsIa Ia Ra Ia Ra Ia EG V jXsIa jXsIa Ia RaIa Ra Ia EG V Carga inductiva jXsIa Ia Ra Ia Ra Ia EG V Carga capacitiva jXsIa Diagrama de Flujo del Generador Sncrono in app mP t e =3* *cosind m G AEI t e =3 cosout L LP V I | = Expresiones adicionales para la potencia y el par del generador 3* *GoutSVE senPXo=En la expresin de la potencia se desprecian las prdidas causadas por la resistencia dearmadura, es decir, las prdidas elctricas. El ngulo es conocido como el ngulo de par de la mquina. De la expresin anterior se puede deducir que el valor mximo de potencia es: Qu ocurre cuando =90?. Este punto de mxima potencia es llamado lmite deestabilidad esttica del generador. En aplicaciones reales a plena carga este ngulo tiene valores entre 15 y 20.3*GoutSVEPX=3* *Gindm SVE senXote=ANLISIS DEL FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR CON CARGA Alponercargaalgeneradorcomenzaracircularcorrienteporlas bobinasdelasfasesdelinducido.Elsentidodecirculacindedicha corrientesigueelsentidodelaf.e.m.decadaunadelasfases,por consiguiente est variando de sentido peridicamente. Elprimerefectoquesetendralponercargaserunacadade tensinalasalidadelgeneradordebidoalaimpedanciapropiadel devanado del inducido Al circular la corriente de carga por los tres devanados del inducido se produce en cada devanado un campo magntico. Dado que la corriente decargaescorrientealterna,varademagnitudydireccinenel tiempo, el campo producido por cada fase ser variante en el tiempo en magnitud y direccin. Se produce un par opuesto al sentido de giro de la mquina el cual se puedecontrarrestarmediantelaaportacindeunafuerzamecnica externa.ANLISIS DE LA DIRECCIN DEL CAMPO DEL INDUCIDO T R S T R S T R S RS E. T t t1=90 t2=150t0=0 t3=270 T R S Cuandolacorrientequerecorrela bobina est en su ciclo positivo entra por la terminal superior de la bobina Cuando la corriente que entra por la bobinaestensuciclonegativo entraporlaterminalinferiordela bobina Unavancedeunnguloudela corrienteatravsdelasbobinas produceuncambiodedireccindel campo de un ngulo u Principio del Campo Giratorio Cuandoungrupodecorrientestrifsicas,cadaunadeigual magnitudydesfasadas120,fluyeenundevanadotrifsico,se produce un campo magntico rotacional de magnitud constante. Este es uno de los principios fundamentales de las mquinas de AC. Prueba de la Brjula EFECTO DE LA SECUENCIA DE FASES SOBRE EL CAMPO DEL INDUCIDO RT E. S t t1=90 t2=150t0=0 t3=270 T R S T R S CONCLUSIN:LACORRIENTEDE CARGADELGENERADOR TRIFSICOGENERAUNCAMPO CUYADIRECCINGIRAENEL SENTIDODEGIRODEL GENERADOR Y CON LA VELOCIDAD DE ESTE. Paraelanlisisdeladiapositiva anteriorelgeneradorgiraensentido horario y genera la secuencia RST. El campo gira en sentido horario. Es decir, el campo que se genera en elestatorgiraenelsentidodegiro de la mquina. Enestecasoelgeneradorgiraen sentidoantihorarioygenerala secuenciaRTS.Elcampogiraen sentido antihorario ANLISIS DE LA MAGNITUD DEL CAMPO DEL INDUCIDO para t=0 RS E. T t t1=90 t2=150t0=0 t3=270 m gm m gm T Tm s sR RT s R gT S R gKNIsen KNI sen KNIsen KNI I KNsen KNI I KNI KN5 , 130 cos 60 30 cos * 60 06060030 cos 30 cos=+ + == == == =+ + =+ + =|||||| | | || | | |T R S 300 300 ANLISIS DE LA MAGNITUD DEL CAMPO DEL INDUCIDO para t=90 RS E. T t t1=90 t2=150t0=0 t3=270 T R S m gm m m gm T Tm s sm R RT s R gT S R gKNIsen KNI sen KNI sen KNIsen KNI I KNsen KNI I KNsen KNI I KN5 , 160 cos 30 60 cos * 30 0 cos * 9030309030 cos 30 cos 0 cos=+ + == == == =+ + =+ + =|||||| | | || | | |CARACTERSTICAS DEL CAMPO DEL INDUCIDO Al poner carga al generador circula corriente alterna trifsica por el inducido del generador. La corriente por el inducido debida a la carga genera un campo de magnitud constante y de direccin variable. La direccin del campo vara cual si girara alrededor del inducido con una velocidad igual a la velocidad sincrnica, es decir igual a la velocidad de giro del flujo polar de la mquina. Ejemplos
