M M á á q q u u i i n n a a s s í í n n c c r r o o n n a a J J o o s s é é M M a a n n u u e e l l A A r r r r o o y y o o S S á á n n c c h h e e z z Á Á r r e e a a d d e e I I n n g g e e n n i i e e r r í í a a E E l l é é c c t t r r i i c c a a D D e e p p a a r r t t a a m m e e n n t t o o d d e e I I n n g g e e n n i i e e r r í í a a E E l l é é c c t t r r i i c c a a , , E E l l e e c c t t r r ó ó n n i i c c a a , , A A u u t t o o m m á á t t i i c c a a y y C C o o m m u u n n i i c c a a c c i i o o n n e e s s U U n n i i v v e e r r s s i i d d a a d d d d e e C C a a s s t t i i l l l l a a – – L L a a M M a a n n c c h h a a 1
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Generalidades de los sistemas de energía eléctrica · PDF fileBibliografía • J. Fraile. “Máquinas Eléctricas”. Sexta Edición....
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• 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
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)
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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
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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
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Sistemas de excitación Excitatriz principal de c.c.
• 2 máquinas de c.c. ⇒ ↑ coste de
mantenimiento • Escobillas ⇒ Desgaste
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Sistemas de excitación Excitatriz principal de c.a.
• Escobillas ⇒ Desgaste
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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Funcionamiento en vacío Curva de vacío, E0 = f(Ie)
• E0 ∝ φ
• Ie ∝ F
• Velocidad nominal
• Variación de la excitación
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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
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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
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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)
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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
• 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
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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
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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
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
DIAGRAMA DE LÍMITES DE FUNCIONAMIENTO
BASES: SN, VN, Iexc (E0 = VN), IN, B
BB I
VZ =
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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
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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