MAQUINAS ELECTRICAS DE C.A.
WILMAN ALFREDO ROLDAN SERNA
UNIDAD CENTRAL DEL VALLE DEL CAUCA PROGRAMA DISTANCIA V TECNOLOGIA EN ELCTRICIDAD TULUA OCTUBRE 2012
MAQUINAS ELECTRICAS DE C.A.
WILMAN ALFREDO ROLDAN SERNA
UNIDAD 1: GENERADORES SINCRONOS
PREGUNTAS Y TEMAS DE ANALISIS
Ing. DIANA MARIA BALANTA BORJA
UNIDAD CENTRAL DEL VALLE DEL CAUCA PROGRAMA DISTANCIA V TECNOLOGIA EN ELCTRICIDAD TULUA OCTUBRE 2012
CONTENIDO
Pág. 1. INTRODUCCION 1.1. OBJETIVO GENERAL 1.2.
2.
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OBJETIVOS ESPECIFICOS
PREGUNTAS Y TEMAS DE ANALISIS
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MAPA CONCEPTUAL
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PRESENTACION PPT
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BIBLIOGRAFIA
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1.
INTRODUCCION
Los generadores de corriente alterna (CA) suelen recibir el nombre de generadores síncronos o alternadores. Una maquina síncrona, ya sea como generador o como motor, opera a velocidad síncrona, es decir a la velocidad a la que gira el campo magnético creado por las bobinas del campo. El generador síncrono es uno de los elementos más importantes de un sistema de potencia eléctrica, ya que éste se encarga de generar la energía eléctrica que será transmitida a grandes distancias para ser posteriormente utilizada por los usuarios. El marco teórico se basa en la aplicación de la teoría del electromagnetismo en la generación de energía eléctrica. El principio básico de los Generadores Sincrónicos y/o máquinas eléctricas de C.A., se basan fundamentalmente en las leyes físicas del electromagnetismo, que son aplicaciones prácticas de los conceptos básicos. La Operación de los generadores sincrónicos en los sistemas eléctricos de potencia, tiene una base teórica en la teoría de circuitos; tanto en los diagramas vectoriales, como en los diagramas P-Q En materia constructiva existen dos versiones clásicas de generadores sincrónicos, los de polos salientes, empleados en centrales hidráulicas, y de polos lisos o rotor cilíndrico, que se utilizan en centrales térmicas.
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1.1 OBJETIVO GENERAL
Conocer la estructura de la máquina síncrona con sus variantes y auxiliares, las formas constructivas, así como los distintos sistemas de excitación y control de campo. Interpretar las formulas, los diagramas de representación y los significados de los parámetros de las máquinas síncronas.
1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
1. poder comprender los detalles internos del funcionamiento de la máquina sincrónica. 2. Tener una base para entender sobre los diagramas de devanado estatórico de los generadores sincrónicos. 3. Entender el comportamiento de los generadores sincrónicos en un sistema eléctrico de potencia. 4. Obtener un criterio de mantenimiento de las máquinas sincrónicas y las pruebas no destructivas que se realizan en la práctica.
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PREGUNTAS Y TEMAS DE ANALISIS
5.1. ¿Por qué está confinada la frecuencia de un generador sincrónico a la tasa de rotación de su eje?
Los generadores sincrónicos son por definición sincrónicos, esto significa que la frecuencia eléctrica producida está sincronizada con la tasa mecánica de rotación del generador. Para determinar la frecuencia de la onda generada en un generador síncrono, hacemos la siguiente consideración:
Como podemos ver en la figura, un conductor que se desplaza de la posición 1 a la posición 2 al pasar bajo un par de polos genera: 1 ciclo; cuando da una vuelta, genera: p ciclos; girando a n vueltas / min., generará: pn ciclos / min., en segundos será:
"
˦J˥I˯˥I˩
que está dada en Hz.; por lo tanto la
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frecuencia sería directamente proporcional a la velocidad de rotación de la máquina:
˦˥
#$"
En la fórmula p nos indica el número de polos que tiene la máquina, este factor es constante ya que viene dado por el fabricante, n la velocidad a la cual gira la máquina, entonces vemos que la frecuencia queda únicamente en función de la velocidad. Entonces para asegurar los 60 Hz., a un generador tenemos lo siguiente: Para una máquina de 4 polos la velocidad deberá ser:
120˦ 120∗60 1800J˭ ˜ 4 Para una máquina de 6 polos la velocidad deberá ser de 1200 rpm. Para una máquina de 8 polos la velocidad deberá ser de 900 rpm.
5.2. ¿Por qué se cae tan abruptamente el voltaje de un alternador, cuando se recibe con una carga con un factor de potencia en atraso?
Al tener un factor de potencia con atraso tenemos que la corriente está desfasa un ángulo θ con respecto al voltaje de fase de la máquina. Debido a que no se ha cambiado la resistencia de campo, la corriente de campo es constante y por lo tanto el flujo ɸ es constante. Como el motor primario también gira a una velocidad constante ω, la magnitud del voltaje interno generado E A = kɸω es constante. Si se adiciona más carga con el mismo factor de potencia, [ IA] se incrementa pero permanece al mismo ángulo θ con respecto a Vɸ como antes. Entonces el voltaje de reacción del inducido jXSIA es mayor que antes pero tiene el mismo ángulo. Tenemos que
˗( ˢ∅ + ˪ H
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jX S I A debe extenderse entre Vɸ a un ángulo de 0º y E A , el cual está limitado a la misma magnitud de antes del incremento de carga. Si se presentan estas limitaciones en un diagrama fasorial, hay un solo punto y únicamente uno en el cual el voltaje de reacción del inducido puede ser paralelo a su posición original mientras se incrementa su tamaño. La figura a continuación muestra lo sucedido
Entonces como podemos observar en la gráfica el voltaje de fase cae abruptamente.
5.3. ¿Por qué se eleva el voltaje de un alternador cuando se le aplica una
carga con factor de potencia en adelanto?
Como podemos ver en la figura al tener una carga con factor de potencia en adelanto la corriente está adelantada con relación al voltaje de fase, entonces al variar la carga el voltaje de reacción del inducido tiene que incrementarse desplazando en este caso el vector del voltaje de fase produciendo en el mismo un incremento.
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5.4. Dibuje el diagrama fasorial y relaciones del campo magnético de un generador síncrono que opera con un factor de potencia a) unitario. B) en retraso y c) en adelanto.
a) Con factor de potencia unitaria, en donde se puede observar que al tener este tipo de factor de potencia hace que la diferencia entre la tensión generada y la tensión obtenida en los bornes sea mínima.
b) Con factor de potencia en retraso, la corriente que fluye por el estator genera un campo magnético que se resta con el principal provocando que el campo magnético neto disminuya y por lo tanto también caiga drásticamente la tensión obtenida en los bornes.
c) Con factor de potencia en adelanto, la corriente que fluye por el estator genera un campo magnético que se suma con el principal provocando que el campo magnético neto aumente y por lo tanto también aumente drásticamente la tensión obtenida en los bornes.
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5.5. Explique cómo se pueden determinar la impedancia síncrona y la resistencia del inducido en un generador síncrono.
La suma (Ra + j Xs) se llama impedancia sincrónica. Para una máquina de rotor cilíndrico no saturada a una frecuencia constante, la reactancia sincrónica es una constante y el voltaje de excitación es proporcional a la corriente de campo. La Resistencia del Inducido, se puede obtener un valor aproximado de la resistencia por medio de la aplicación de un voltaje de DC los devanados mientras la maquina esta estacionaria y midiendo el flujo de corriente resultante. La utilización de un voltaje de DC significa que la reactancia de los devanados será igual a cero durante el proceso de medición. Esta técnica no es del todo exacta, debido a que la resistencia de CA será un poco más grande que la resistencia de DC (como resultado del efecto pelicular a altas frecuencias). Si se desea, se puede introducir el valor medido de la resistencia, puesto que Xs >> R A en
∅ , = -
valor estimado de XS.
H
˗ ˞$ + $
˞$ + $
˞
ˢ 2H
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para mejorar el
5.6. ¿Porqué se debe reducir la potencia de un generador de 60hz, si se va a operar con 50hz ¿en cuánto se debe disminuir? La potencia eléctrica se genera a 50 o 60Hz, por lo que el generador debe girar a una velocidad fija dependiendo del número de polos en la máquina. Por ejemplo para generar una potencia de 60Hz en una máquina de dos polos, el rotor debe girar a 3 600r/min. Para generar una potencia de 50Hz en una máquina de cuatro polos, el rotor debe girar a 1500r/min. La tasa de rotación requerida para cierta frecuencia siempre se puede calcular a partir de la ecuación:
˦˥
#$"
Se debe reducir la potencia de un generador de 60hz, si se va a operar con 50hz para mantener la velocidad. El problema es que hay un máximo flujo alcanzable en toda máquina y, el máximo E A disponible cambia cuando cambia la velocidad. Debe disminuir a un 83,3% (5/6).
5.7. ¿Se esperaría que un generador de 400 Hz fuera más grande o más pequeño que un generador de 60 Hz de la misma potencia y voltaje nominales? Explique la respuesta.
Más pequeño. El voltaje de generación depende del flujo, la velocidad de rotación y la construcción mecánica de la máquina
Puede decirse que si moderadamente, siempre y cuando se cumplan ciertas condiciones. Básicamente el problema es que hay un flujo máximo al que se puede llegar en cualquier máquina, y debido a que EA=KØW, el EA máximo permitido cambia cuando cambia la velocidad. Específicamente si un generador de 400Hz va a operar a 60Hz, entonces el voltaje de operación debe degradar a 60/400, o a 83.3% de su valor original. Y si un generador de 60Hz va a operar en uno de 400Hz ocurre lo contrario.
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5.8. ¿Qué condiciones son necesarias para conectar en paralelo dos generadores síncronos?
Un generador síncrono G1 que suministra potencia a una carga con otro generador G2 a punto de conectarse en paralelo con G1 por medio del cierre del interruptor 1. Se deben cumplir las siguientes condiciones: • • • •
Deben ser iguales los voltajes de línea rms de los dos generadores. Los dos generadores deben tener la misma secuencia de fase Los ángulos de fase de las dos fases a deben ser iguales. La frecuencia del generador nuevo, llamado generador en aproximación, deben ser un poco mayor que la frecuencia del sistema en operación
Generador que se conecta en paralelo con un sistema de potencia en operación.
Estas condiciones de puesta en paralelo requieren ciertas explicaciones. La condición 1 es obvia: para de dos grupos de voltajes sean idénticos, deben tener la misma magnitud de voltaje rms.
Los voltajes en las fases a y a` serán completamente idénticos en todo momento si ambas magnitudes y sus ángulos son iguales, lo que explica la condición.
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La condición 2 asegura que la secuencia en la que el voltaje de fase llegue a su pico en los dos generadores sea la misma. Si la secuencia de fase es diferente en la figura 2a entonces aun cuando un par de voltajes (los de fase a) estén en fase, los otros dos pares de voltajes estarán desfasados por 120º. Si se conectan los generadores de esta manera, no habrá problema con la fase a, pero fluirá enormes corrientes en las fases b y c, lo que dañara ambas maquinas.
5.9. ¿Por qué un generador en aproximación a un sistema de potencia debe ser acoplado a una frecuencia mayor que la del sistema de operación?
Muchos generadores reales tienen disparadores de potencia inversa conectados a ellos, por tanto es imperativo que sean acoplados con su frecuencia mayor que la del sistema en operación. Si tal generador arranca alguna vez consumiendo potencia, será conectado de la línea automáticamente. La frecuencia del generador en aproximación se ajusta para que sea un poco más alta que la frecuencia del sistema en operación. Esto se lleva a cabo primero observando un medidor de frecuencia hasta que las frecuencias sean similares y entonces se observen los cambios de fase entre los sistemas. Se ajusta el generador en aproximación un poco más alta para que cuando se conecte se incorpore a la línea suministrando potencia como generador, en lugar de consumirla como lo hace un motor. Una vez que las frecuencias son casi iguales, los voltajes en los dos sistemas cambian de fase muy lentamente con respecto al otro. Se observan los cambios de fase y cuando los ángulos de fase son iguales, se apaga el interruptor que conecta a los dos sistemas.
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5.10. ¿Que es un barraje infinito? ¿Qué un generador acoplado con él?
restricciones
le
impone
a
Un barraje infinito es un sistema de potencia tan grande que su voltaje y frecuencia no varían, independientemente de cuánta potencia real o reactiva se está tomando de él o está suministrando. La frecuencia y el voltaje en los terminales de todas las máquinas deben ser iguales. El barraje o bus infinito es una idealización de un sistema de potencia, el cual es tan grande que en él no varían ni el voltaje ni la frecuencia, siendo inmaterial la magnitud de las potencias activas o reactivas que se toman o suministran a él. Puede pensarse en el bus infinito como una supermáquina equivalente de dimensiones descomunales, que nada que se haga sobre él puede causarle mucho efecto. La supermáquina anterior es el equivalente inercial y eléctrico de todos los generadores conectados a él. La figura siguiente muestra un sistema de bus infinito.
La transmisión de potencia se hace normalmente con altos voltajes (cientos de KV), para reducir pérdidas. Sin embargo la generación se realiza a menores voltajes (20-30 KV). Se usan transformadores para cambiar los niveles de voltaje. Se usa uno para elevar el voltaje de generación hasta el bus infinito y las cargas reciben de él energía con un nivel de voltaje reducido por varias etapas de transformadores.
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5.11. ¿Cómo se puede controlar la repartición de potencia real entre dos generadores sin afectar la frecuencia del sistema? ¿Cómo se puede controlar la repartición de potencia reactiva entre dos generadores sin afectar el voltaje en los terminales del sistema?
El incremento en los puntos de ajuste del mecanismo regulador de un generador incrementa la potencia de la máquina y aumenta la frecuencia del sistema. La disminución en los puntos de ajuste del mecanismo regulador en el otro generador disminuye la potencia de la máquina y la frecuencia del sistema. Por lo tanto, para ajustar la repartición de potencia sin cambiar la frecuencia del sistema se deben incrementar los puntos de ajuste del mecanismo regulador del otro generador. De manera similar, para ajustar la frecuencia del sistema sin cambiar la repartición de potencia, se deben incrementar o disminuir simultáneamente ambos puntos de ajuste del mecanismo regulador. Los ajustes a la potencia y voltajes en los terminales funcionan de manera análoga. Para desplazar la repartición de la potencia reactiva sin cambiar VT, se debe incrementar simultáneamente la corriente de campo en el otro. Para cambiar el voltaje en los terminales sin afectar la repartición de potencia reactiva se deben incrementar o disminuir simultáneamente ambas corrientes de campo.
5.12. ¿Cómo puede ajustarse la frecuencia de un gran sistema de potencia sin afectar la distribución de potencia entre los generadores del sistema?
Aumentando la corriente de campo de un generador sincrónico que opera en paralelo con un barraje infinito El incremento en los puntos de ajuste del mecanismo regulador de un generador incrementa la potencia de la máquina y aumenta la frecuencia del sistema. La disminución en los puntos de ajuste del mecanismo regulador en el otro generador disminuye la potencia de la máquina y la frecuencia del sistema. Por lo tanto, para ajustar la repartición de potencia sin cambiar la frecuencia del sistema se deben incrementar los puntos de ajuste del mecanismo regulador del otro generador. De manera similar, para ajustar la frecuencia del sistema sin cambiar la repartición de potencia, se deben incrementar o disminuir simultáneamente ambos puntos de ajuste del mecanismo regulador.
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Los ajustes a la potencia y voltajes en los terminales funcionan de manera análoga. Para desplazar la repartición de la potencia reactiva sin cambiar VT, se debe incrementar simultáneamente la corriente de campo en el otro. Para cambiar el voltaje en los terminales sin afectar la repartición de potencia reactiva se deben incrementar o disminuir simultáneamente ambas corrientes de campo.
5-13. ¿Cómo se pueden ampliar los conceptos de la sección 5-9 para calcular la frecuencia del sistema y la distribución de potencia entre tres o más generadores que operan en paralelo?
Características de frecuencia - potencia y de voltaje -potencia reactiva de un generador sincrónico. Todos los generadores son accionados manejados por un motor primario, fuente de potencia mecánica del generador. El tipo más común de motor primario es una turbina de vapor, pero además hay otros tipos tales como los motores diesel, las turbinas de gas, las turbinas hidráulicas y aun los molinos de viento. Prescindiendo del tipo de origen de la potencia, todos los motores primarios tienden a comportarse en forma similar: mientras la potencia que entregan aumenta, la velocidad a la cual giran disminuye. La disminución de la velocidad es en general no lineal, pero casi siempre se incluye alguna forma de mecanismo regulador para volver lineal la disminución de velocidad con aumento en la demanda de potencia. Cualquiera que sea el mecanismo regulador que se encuentre en el motor primario, siempre se podrá graduar para que produzca una característica ligeramente descendente a medida que la carga aumenta. La caída de velocidad (n) de un motor primario está definida por la ecuación:
Donde no es la velocidad en vacío del motor primario y n pc es la velocidad del motor primario a plena carga. La mayor parte de los generadores tienen una caída de velocidad de 2a 4%, como está definido en la ecuación anterior. Además, la mayor parte de los reguladores tienen algún dispositivo de ajuste, para permitir que la velocidad de la turbina en vacío puede modificarse. Una gráfica típica de velocidad-versus-potencia, se puede ver en la figura.
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La relación entre frecuencia y potencia se describe cuantitativa mente por la ecuación:
En dónde P = potencia de salida del generador f O = frecuencia del generador en vacío
= frecuencia de fsist funcionamiento del sistemas Sp = pendiente de la curva kW/Hz o MW/Hz
5-14. ¿porque el sobrecalentamiento es un asunto tan grave para un generador?
El sobrecalentamiento en los devanados de un generador puede acortar la vida útil de la máquina debido al deterioro en el aislamiento de los materiales que componen.
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5-15. Explique en detalle el concepto que hay detrás de las curvas de capacidad
Las curvas de capacidad del generador proporcionadas por el fabricante y usadas en planificación de la operación, típicamente presentan un rango de operación mayor al que debe ser observado durante la operación real de una unidad de generación en un sistema de potencia. Generalmente, estas curvas de capacidad son estrictamente una función de los parámetros de diseño de la máquina sincrónica y no consideran las condiciones de operación de la unidad de generación y del sistema como factores limitantes. Recientemente el interés sobre la capacidad reactiva del generador ha tomado importancia debido a la necesidad de maximizar su entrega de potencia reactiva para mantener niveles adecuados de voltaje para condiciones de alta transferencia de potencia activa.
La curva de capacidad puede mostrar todas las condiciones de operación normal de los generadores conectados a barras infinitas. La curva se construye bajo el supuesto de que el generador tiene un voltaje en terminales Vt fijo y que la resistencia de armadura es despreciable. La construcción se inicia con el diagrama fasorial del generador, teniendo a Vt como el fasor de referencia.
5-16. ¿que son los valores de corta duración? ¿Por qué son importantes en la operación regular de los generadores?
Son pequeños lapsos de tiempo en el cual el generador puede suministrar una cantidad de potencia superior a su valor nominal, esta capacidad de suministrar potencia por encima de su valor nominal, se utiliza para alimentar momentáneamente picos transitorios de potencia durante el arranque de motores y transitorios similares de carga. También es posible utilizar un generador durante largos periodos a potencias que exceden los valores nominales mientras los devanados no se calienten demasiado antes de remover el exceso de carga.
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INSUMOS BIBLIOGRAFICOS
•
Chapman, Stephen. Máquinas eléctricas. Editorial Mc Graw Hill. (LIBRO GUIA)
•
http://www.tuveras.com/motorsincrono/motorsincrono.htm
•
http://es.scribd.com/doc/45286450/7-Generadores-sincronos
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•
http://www.buenastareas.com/ensayos/GeneradorSincr%C3%B3nico/4033425.html
http://www.slideshare.net/quasar.0360.7912/semana-2-maquinas-electricasutpleetmarzo-2012
www.google.com.co/search?hl=es&biw=1163&bih=817&q=generadores+sin cronos+ppt
ttp://www.4shared.com/office/qRM-Vv3u/tema15_generadores_sincronos.html
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