resumen de capitulo 6, Apuntes de Electromagnetismo

¡Descarga resumen de capitulo 6 y más Apuntes en PDF de Electromagnetismo solo en Docsity! Tecnológico Nacional de México Campus Nuevo Laredo Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Mecatrónica Ingeniería Eléctrica Maquinas Síncronas y CD Resumen unidad 4 Generadores Síncronos Javier Alejandro Villanueva Pérez 17100148 ING. Jose Alejandro Gonzalez Zúñiga Nuevo Laredo, Tamaulipas, 28 de marzo del 2020 Generadores Síncronos 4.1 Construcción De Generadores Síncronos Dentro de un generador síncrono se produce un campo magnético en el rotor ya sea mediante el diseño de este como un imán permanente o mediante la aplicación de una corriente de cd a su devanado para crear un electroimán El rotor de un generador síncrono es en esencia un electroimán grande. Los polos magnéticos del rotor pueden ser tanto salientes como no salientes. Debido a que el rotor está sujeto a campos magnéticos variables, se construye con láminas delgadas para reducir las pérdidas por corrientes parasitas. Se debe suministrar una corriente de cd al circuito de campo del rotor. Puesto que esta gira, se requiere de un arreglo especial para que la potencia de cd llegue a los devanados de campo. Existen dos formas comunes de suministrar esta potencia de cd: 1. Suministrar al rotor la potencia de cd desde una fuente externa de cd por medio de anillos rozantes y escobillas. 2. Suministrar la potencia de cd desde una fuente de potencia de cd especial montada directamente en el eje del generador síncrono. ¿Como se pueden modelar los efectos de la reacción del inducido en el voltaje de fase? Primero, nótese que el voltaje Eestat tiene un ángulo de 90° atrás del plano de corriente máxima IA. Segundo, el voltaje Eestat es directamente proporcional a la corriente IA. Si X es una constante de proporcionalidad, entonces el voltaje de reacción del inducido se puede expresar como: Por lo tanto, el voltaje en una fase es: Obsérvese el circuito que se muestra en la fi gura 4-9. La ecuación de la ley de voltaje de Kirchhoff de este circuito es Además de los efectos de la reacción del inducido, las bobinas del estator tienen una autoinductancia y una resistencia. Si se llama LA a la autoinductancia del estator (y se llama XA a su reactancia correspondiente), mientras que a la resistencia del estator se le llama RA, entonces la diferencia total entre EA y Vf está dada por Tanto los efectos de la reacción del inducido como la autoinductancia de la maquina se representan por medio de reactancias y se acostumbra combinarlas en una sola llamada reactancia síncrona de la maquina: Por lo tanto, la ecuación final que describe Vf es Ahora es posible dibujar el circuito equivalente de un generador síncrono trifásico. 4.5 DIAGRAMA FASORIAL DE UN GENERADOR SÍNCRONO Cuando se hace una gráfica de los voltajes dentro de una fase (EA, Vf, jXSIA y RAIA) y la corriente IA en la fase de tal forma que se muestren las relaciones entre ellos, la gráfica resultante se llama diagrama fasorial. Por ejemplo, la figura 4-13 muestra estas relaciones cuando el generador alimenta una carga con un factor de potencia unitario (una carga puramente resistiva). Este diagrama fasorial se puede comparar con los diagramas fasoriales de los generadores que operan con factores de potencia en retraso o en adelanto. Se requiere una corriente de campo más grande para obtener el mismo voltaje en las terminales en las cargas en retraso debido a que y ω debe ser constante para mantener una frecuencia constante. 4.6 POTENCIA Y PAR EN LOS GENERADORES SÍNCRONOS Un generador síncrono es una maquina síncrona que se utiliza como generador. Convierte potencia mecánica en potencia eléctrica trifásica. Cualquiera que sea la fuente, debe tener la propiedad básica de mantener su velocidad constante sin importar la Efecto de los cambios en la carga en un generador síncrono que opera solo Un incremento de la carga es un aumento de la potencia real, reactiva, o ambas, que se obtiene del generador. Un incremento de la carga aumenta la corriente de la carga que se obtiene del generador. Primero, examínese un generador que opera con un factor de potencia en retraso. Si se añade más carga con el mismo factor de potencia, entonces |IA| se incrementa, pero mantiene el mismo ángulo u con respecto a Vf. Por lo tanto, el voltaje de reacción en el inducido jXSIA es mayor que antes, pero tiene el mismo ángulo. Las conclusiones generales de la discusión sobre el comportamiento de los generadores síncronos son: 1. Si se añaden cargas en retraso (+Q o cargas de potencia reactiva inductivas) a un generador, Vf y el voltaje en las terminales VT decrecen de manera significativa. 2. Si se añaden cargas con factores de potencia unitarios (no potencia reactiva) a un generador, se produce una pequeña disminución de Vf y del voltaje en las terminales. 3. Si se añaden cargas en adelanto (−Q o cargas de potencia reactiva capacitivas) a un generador, Vf y el voltaje terminal aumentaran. 4.9 OPERACIÓN EN PARALELO DE GENERADORES DE CA ¿Por qué se utilizan los generadores síncronos en paralelo? Hay muchas ventajas para ello: 1. Varios generadores pueden alimentar una carga más grande que una sola máquina. 2. Tener varios generadores incrementa la confiabilidad del sistema de potencia, debido a que la falla de cualquiera de ellos no causa la pérdida total de potencia en la carga. 3. Tener varios generadores que operan en paralelo permite la remoción de uno o más de ellos para cortes de potencia y mantenimientos preventivos. 4. Si se utiliza un solo generador y este no opera cerca de plena carga, entonces será relativamente ineficiente. Con varias máquinas más pequeñas que trabajan en paralelo es posible operar solo una fracción de ellas. Las que operan lo hacen casi a plena carga y por lo tanto de manera más eficiente. Condiciones requeridas para operar en paralelo Si el interruptor se cierra de manera arbitraria en cualquier momento, es posible que los generadores se dañen severamente y que la carga pierda potencia. Si los voltajes no son exactamente iguales en cada uno de los generadores que se conectaran juntos, habrá un flujo de corriente muy grande cuando se cierre el interruptor. Se deben cumplir las siguientes condiciones de puesta en paralelo: 1. Los voltajes de línea rms de los dos generadores deben ser iguales. 2. Los dos generadores deben tener la misma secuencia de fase. 3. Los ángulos de fase de las dos fases a deben ser iguales. 4. La frecuencia del generador nuevo, llamado generador en aproximación, debe ser un poco mayor que la frecuencia del sistema en operación. 4.10 TRANSITORIOS (OSCILACIONES MOMENTÁNEAS) EN LOS GENERADORES SÍNCRONOS Cuando el par aplicado al eje de un generador o la carga de salida de un generador cambia súbitamente, siempre hay un transitorio (oscilación momentánea) que dura un periodo fi nito antes de que el generador retorne a su estado estacionario. Una vez que se conecta en paralelo, hay un periodo transitorio antes de que el generador se estabilice y trabaje en la misma frecuencia de línea a la vez que suministra a la carga una pequeña cantidad de la potencia. Estabilidad transitoria en los generadores síncronos La potencia máxima que el generador puede suministrar está dada por la ecuación Transitorios en cortocircuito en generadores síncronos La condición transitoria más severa que se puede presentar en un generador síncrono es la situación en la que los tres terminales del generador entran en cortocircuito súbitamente. 4.11 VALORES NOMINALES DE LOS GENERADORES SÍNCRONOS Hay ciertos límites básicos para la velocidad y potencia que se pueden obtener de un generador síncrono. Estos límites se llaman valores nominales de la máquina. El propósito de los valores nominales es proteger al generador del daño que pudiera ocasionarle una operación inadecuada. Con este fin, cada máquina tiene ciertos valores nominales que se muestran en su placa de características. Valores nominales del voltaje, la velocidad y la frecuencia La frecuencia nominal de un generador síncrono depende del sistema de potencia al que está conectado. Las frecuencias en los sistemas de potencia que se usan comúnmente son 50 Hz (en Europa, Asia, etc.), 60 Hz (en América) y 400 Hz (en aplicaciones especiales y de control). Valores nominales de la potencia aparente y del factor de potencia Hay dos factores que determinan los límites de la potencia de las maquinas eléctricas. Uno es el par mecánico en el eje de la maquina y el otro es el calentamiento de los devanados. Curvas de capacidad de los generadores síncronos Los límites de calentamiento del estator y rotor, junto con cualquier otro límite de un generador síncrono, se pueden expresar en forma gráfica por medio del diagrama de capacidad de un generador. Operación de corta duración y factor de servicio El límite más importante de la operación en estado estacionario de un generador síncrono es el calentamiento del inducido y de los devanados de campo. Un generador síncrono usual a menudo es capaz de suministrar hasta 300% de su potencia nominal temporalmente (hasta que se queman los devanados). Esta capacidad de suministrar potencia por arriba del valor nominal se utiliza para proporcionar de manera momentánea aumentos de voltaje durante el arranque de un motor y otros transitorios de carga similares.