Clase N° 01 - Máquinas Síncronas- 21-11-2014

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas Elctricas Sncronas

21 de noviembre de 2014Mquinas SncronasUniversidadNacional de Ingeniera

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraINTRODUCCINLos generadores de corriente alterna (AC) suelen recibir el nombre de generadores sncronos o alternadores. Una mquina sncrona, ya sea como generador o como motor, opera a velocidad sncrona; es decir, a la velocidad a la que gira el campo magntico creado por las bobinas del campo.

Los generadores sncronos son la principal fuente de potencia elctrica del mundo, convirtiendo energa mecnica en energa elctrica desde una fraccin de kVA hasta los 1 500 MVA. En la generacin elctrica a pequea escala se emplean alternadores acoplados a motores de combustin interna, que se utilizan en equipos de emergencia en hospitales, aeropuertos, salas de ordenadores, centrales telefnicas, entre otros, y que entran en servicio en el momento que falta la tensin de la red.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraINTRODUCCINLas mquinas sncronas, son mquinas elctricas cuya velocidad de rotacin n (RPM) est vinculada rgidamente con la frecuencia f de la red de corriente alterna con la cual trabaja, de acuerdo con la expresin:Donde:p = Nmero de polos de la mquina.f = Frecuencia de la red.Es decir, el nombre de mquinas sncronas, se deben a que exclusivamente este tipo mquinas funcionan a la velocidad de sincronismo.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraLas mquinas sncronas, como cualquier otro convertidor electromecnico de la energa, estn sometidas al principio de reciprocidad electromagntica, pudiendo funcionar tanto en el rgimen como generador como en rgimen motor; sin embargo, en la prctica de las instalaciones elctricas es ms frecuente su empleo como generadores, para producir energa elctrica de corriente alterna (alternadores) en las centrales elctricas a partir de fuentes primarias de energa hidrulica, trmica o nuclear. Las frecuencias industriales de las tensiones generadas oscilan entre los 50 Hz en Europa y 60 Hz en gran parte de Amrica.

La utilizacin de la mquina sncrona como generador de corriente alterna (AC) est generalizada, siendo el elemento convertidor de uso, prcticamente exclusivo, en las centrales de generacin de energa elctrica.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraEn aplicaciones especiales, como en el caso de la aeronutica, se utilizan frecuencias ms elevadas, del orden de los 400 Hz, lo que trae como consecuencia una reduccin del tamao y peso de los equipos de a bordo.

En la generacin de energa elctrica a pequea escala se emplean generadores acoplados a motores de combustin interna (llamados grupos electrgenos), que se utilizan como equipos de emergencia en hospitales, aeropuertos, centros de cmputo, centrales telefnicas, etc., y que entran en servicio en el momento que se produce un corte en el servicio de energa elctrica.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraCentral Hidroelctrica

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraGrupos Electrgenos

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraComo se indic, las mquinas sncronas, como todas las mquinas elctricas rotativas, tambin pueden funcionar como motor; es decir, convirtiendo la energa elctrica en mecnica, lo que da lugar al rgimen de marcha como motor sncrono.

Los motores sncronos se emplean en aquellos accionamientos industriales que requieren velocidades de transmisin constantes, teniendo adems la ventaja frente a los motores asncronos de poder regular simultneamente el factor de potencia con el cual trabaja, lo que es de gran importancia en cierto tipo de industrias: cemento, metalrgicas, etc., ya que se evita la colocacin de condensadores para reducir la potencia reactiva absorbida por la instalacin.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraAspectos Constructivos de las Mquinas Elctricas Sncronas

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraLas mquinas sncronas, al igual que las dems tipos de mquinas elctricas rotativas, estn constituidas por un estator, entrehierro y rotor; asimismo, por dos devanados independientes: Un devanado de campo, construido en forma de arrollamiento concentrado o bien distribuido en ranuras, alimentado por corriente continua, y es el devanado que produce el campo magntico principal en la mquina. Un devanado de armadura, distribuido formando un arrollamiento trifsico recorrido por corriente alterna, donde se induce el voltaje principal.En las mquinas sincrnicas los devanados de campo estn sobre el rotor, mientras que los de armadura se sitan en el estator.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraEstator de Mquinas SncronasParte estacionaria e inmvil de la mquina, de forma y construccin similar a la mquina asncrona, denominada tambin armadura. Contiene los tres devanados que conforman el inducido, separados 120 elctricos uno con respecto al otro. Asimismo, el estator se encuentra formado por paquetes de laminaciones ferromagnticas, entre las que existe algn barniz especial o aire como aislamiento.

Las laminaciones se realizan con la finalidad de reducir las prdidas en el ncleo. Estas laminaciones se mantienen juntas por medio del bastidor del estator, el cual puede ser de hierro fundido o fabricarse con placas soldadas de acero suave, no se disea para conducir flujo, sino para dar apoyo mecnico al generador sncrono.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraEl paquete estatrico est formado por delgadas lminas de acero magntico al silicio de bajas prdidas, troquelada y revestida por ambas caras con material aislante para reducir las prdidas por corrientes parsitas.

Los espacios que conforman los conductos de aire radiales en el ncleo del estator se encuentran dispuestos de manera que se logra una eficiente refrigeracin.

Los escudos unidos a la parte central son estudiados en la actualidad mediante los ms modernos medios de clculo como el Finite Element Modelisation (FEM) para soportar los esfuerzos electromagnticos ms exigentes.

En los escudos se alojan los cojinetes o rodamientos. Su diseo se realiza previniendo distintas soluciones de refrigeracin en cuanto a las posibilidades de entradas y salidas del aire.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraEn lneas generales los estatores de las mquinas sncronas, son similares a los estatores de las mquinas asncronas, las cuales fueron analizadas anteriormente.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraRotor de las Mquinas SncronasParte giratoria y mvil de la mquina donde se encuentran dispuestas las piezas polares, donde se encuentra el devanado de excitacin, que genera el flujo magntico (constante y unidireccional) que acta como inductor. Se alimenta con corriente continua.

El rotor puede ser construido con polos lisos o salientes dependiendo de las caractersticas constructivas del motor y de la aplicacin.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraLa utilizacin de uno u otro tipo, polos lisos o salientes, depende fundamentalmente de las velocidades a las que se trabaja. Generalmente, las mquinas de bajo nmero de polos (alta velocidad), suelen ser de polos lisos, ocurriendo justamente lo contrario, elevado nmero de polos (bajas velocidades), en el caso de las mquinas de polos salientes.

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Rotor de polos lisos o cilndrico

Tiene forma de cilindro y est construido de acero para soportar los esfuerzos de sus altas velocidades, con ranuras en su periferia que forman dientes, donde se coloca el devanado de excitacin. Bsicamente son de 2 y 4 polos.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraRotor de polos salientesContiene las caras polares formadas por chapas de acero, en cuya base se encuentra arrollado el devanado de excitacin. En algunos casos pueden disponer de ranuras sobre la cara polar para colocar un devanado tipo jaula de ardilla, conocido como devanado amortiguador, cuya funcin es amortiguar las oscilaciones que pueden ocurrir con el funcionamiento en paralelo con otros generadores o contribuir al arranque de la mquina cuando acta como motor. Generalmente son de 4 o ms polos.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraRotor de Polos Salientes

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraEn conclusin: Una mquina sncrona puede tener dos tipos de rotores:Rotor CilndricoRotor de Polos Salientes

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraLa eleccin entre ambos tipos de rotores viene impuesta por la velocidad de rotacin de la mquina, la cual depende a su vez del tipo de motor primario (motor primo o motor de accionamiento) que la hace girar, y as, se distinguen los turbogeneradores, hidrogeneradores y los generadores acoplados a motores diesel.Rotor CilndricoRotor de Polos Salientes

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraSoportes de los Rotores de las Mquinas Sncronas

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraRepresentacin del Estator y Rotor de una Mquina Sncrona

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraGrficamente, existen diversas formas de representar al estator y rotor de una mquina sncrona, a continuacin se mostrarn algunas de estas formas.

Sin embargo, es preciso recordar que en los generadores sncronos el rotor siempre es alimentado con corriente continua.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraEstatorRotor

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraEstatorRotorRotorEstator

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraComponentes Elctricos de una Mquina Sncrona

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraDesde el punto de vista elctrico las mquinas sncronas estn compuestas por:

INDUCIDO.- Devanado distribuido cuyos conductores estn colocados en ranuras dispuestas generalmente en la periferia interna del estator (son similares a los arrollamientos de las mquinas asncronas, bobinado imbricado). Este devanado es alimentado con corriente alterna.

INDUCTOR.- Es del tipo devanado concentrado dispuesto alrededor de las piezas polares del rotor con polos salientes, o bien arrollamiento concntrico colocado en las ranuras dispuestas en la periferia externa del rotor con polos lisos o rotor cilndrico. Este devanado o arrollamiento puede ser concentrado o bien distribuido en ranuras, alimentado por corriente continua, que da lugar a los polos de la mquina.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraDEVANADOS DE LAS MQUINAS SNCRONAS DE ACUERDO CON SU POTENCIAMquinas pequeas (< 10 kVA)

Devanado inductor en el estator, concentrado en expansiones polares.

Devanado inducido trifsico, ubicado en el rotor.

Mquinas grandes(10 kVA hasta 1 500 MVA)

Devanado inductor, ubicado en el rotor.

Devanado inducido trifsico, ubicado en el estator.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraDisposicin Fsica de los Devanados de las Mquinas Sncronas

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraDevanado Inductor

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraAspectos Constructivos de los Generadores Sncronos Utilizados en la Generacin de Energa ElctricaEn las mquinas sncronas grandes, que para el caso de alternadores (generadores) puede llegar a 1 000 a 1 500 MVA, la colocacin de los devanados es de tal manera que los polos quedan situados en el rotor y el devanado trifsico en el estator. En esta situacin la estructura del rotor se fabrica en dos versiones distintas: a) Polos salientes, los devanados de los polos son concentrados.

b) Polos lisos o rotor cilndrico, el devanado que se coloca en los polos est distribuido en ranuras, cubriendo una parte de la circunferencia del rotor.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraLa alimentacin del devanado inductor (en el rotor) se realiza por diversos sistemas (excitatrices), colocados en la parte mvil de la mquina, por los que se introduce una corriente continua exterior.

La eleccin entre los tipos de generadores sncronos (polos salientes o rotor cilndrico) viene impuesta por la velocidad de rotacin de la mquina, la cual depende a su vez del tipo de motor primario que la hace girar, y as, se distinguen los turbogeneradores, hidrogeneradores y los generadores acoplados a motores diessel.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraClasificacin de Generadores Sncronos

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraLos generadores sncronos se clasifican de acuerdo con la forma de construccin de su rotor; es decir, pueden ser:

Generadores de rotor cilndrico o turbogeneradores; y, Generadores de polos salientes o hidrogeneradores.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraGeneradores Sncronos de Rotor Cilndrico o TurbogeneradoresLos generadores sncronos de rotor cilndrico o turbogeneradores (se fabrican de 2 hasta 4 polos), al ser de gran velocidad, se construyen con un pequeo dimetro y una gran longitud axial, y de esta forma se reducen las fuerzas centrfugas a que estn sometidos los devanados del rotor. Por ejemplo, un alternador de este tipo puede tener de 1 a 2 m de dimetro de rotor y de 10 a 12 m de longitud axial total.

Las velocidades lineales en la periferia del rotor oscilan entre los 125 a 145 m/s en generadores de cuatro polos y de 170 a 185 m/s en los de dos polos.

Los rotores cilndricos generalmente se fabrican de acero forjado slido y en las ranuras se colocan los devanados de campo distribuidos.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraLos turbogeneradores son accionados por turbinas de vapor, las cuales tienen gran rendimiento si se mueven a velocidades elevadas. Estos alternadores tienen un rotor cilndrico devanado generalmente para dos polos, lo que corresponde a una velocidad de 3 600 RPM a una frecuencia de 60 Hz., tal como se muestra en la siguiente figura:El eje turbina-alternador es horizontal y se construyen unidades con potencias hasta de 1 000 MVA.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraGenerador de Rotor Cilndrico

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraLa caracterstica fsica fundamental de los Generadores Sncronos de Rotor Cilndrico o Turbogeneradores, es que su longitud es mucho mayor que su dimetro, tal como se aprecia:

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraGeneradores Sncronos de Polos Salientes o HidrogeneradoresLos hidrogeneradores estn movidos por turbinas hidrulicas cuyo tipo y velocidad de giro dependen de las caractersticas del salto.

En saltos de gran altura se emplean turbinas Pelton que impulsan grupos de eje horizontal que giran a velocidades comprendidas entre los 750 y 375 RPM.

En saltos medios se utilizan turbinas Francis con una disposicin vertical del grupo, de tal forma que las velocidades de sincronismo son menores que con alturas elevadas, pudindose llegar a valores cercanos a los 150 RPM.

En saltos de pequea altura (

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraLas potencias medias de los generadores hidrulicos oscilan entre los 150 y 300 MVA y se han llegado a construir unidades de 750 MVA.

Debido a las velocidades de giro tan reducidas en comparacin con los turbogeneradores, se construyen en forma de polos salientes con un gran nmero de ellos, generalmente entre 20 y 40 polos, aunque se han fabricado unidades cercanas a los 100 polos.

Mquinas Elctricas Rotativas Gregorio Aguilar RoblesMquinas SncronasUniversidadNacional de IngenieraLa caracterstica fsica fundamental de los Generadores Sncronos de Polos Salientes o Hidrogeneradores, es que su dimetro es mucho mayor que su longitud, tal como se aprecia.

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