Generalidades de los sistemas de energía eléctrica · PDF...
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1
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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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Bibliografía
• J. Fraile. “Máquinas Eléctricas”. Sexta Edición. McGraw-Hill. Madrid. 2008
• J. Fraile, J. Fraile. “Problemas de Máquinas
Eléctricas”. McGraw-Hill. Madrid. 2005
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Introducción
• Velocidad de giro en régimen permanente:
p60n = f
• Principio de reciprocidad (generador o
alternador, motor) • Distintas frecuencias (volumen)
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Introducción
• Excitación en corriente continua • Rotor de polos salientes vs. rotor de polos
lisos (rotor cilíndrico) • η ≈ 98.5%
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Introducción
• Uso como generador (principal):
Suministro de gran potencia a la red
Instalaciones de emergencia (hospitales, ordenadores)
Instalaciones aisladas (redes rurales,
grupos electrógenos)
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Introducción • Uso como motor:
Aplicaciones con velocidad constante (bombeo)
Regulación del factor de potencia (condensador o compensador síncrono)
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Introducción Central de bombeo
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Aspectos constructivos
• Estátor
Con expansiones polares ⇒ Devanado concentrado
Cilíndrico ⇒ Devanado distribuido
• Rotor
Polos salientes ⇒ Devanado concentrado
Polos lisos o rotor cilíndrico ⇒ Devanado distribuido
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Aspectos constructivos
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Aspectos constructivos
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Aspectos constructivos Devanados
• Inductor
Corriente continua
Devanado concentrado o distribuido
• Inducido
Corriente alterna
Devanado distribuido
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Aspectos constructivos. Devanados
• Máquinas pequeñas (< 10 kVA)
Devanado inductor en el estátor, concentrado en expansiones polares
Devanado inducido trifásico en el rotor (anillos)
• Máquinas grandes (10 kVA hasta 1500 MVA)
Devanado inductor en el rotor (anillos)
Devanado inducido trifásico en el estátor
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Tipos según la máquina motriz Turbogeneradores
• ↑ rendimiento a ↑ velocidad
• Rotor cilíndrico
• Centrales térmicas ⇒ Bipolar (n = 3000 rpm)
• Centrales nucleares (temperatura y presión ↓) ⇒ Tetrapolar (n = 1500 rpm)
• Eje turbina-alternador horizontal
• ↓ Diámetro (1-2 m), ↑ longitud (10-12 m)
• SN hasta 1500 MVA 14
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Tipos según la máquina motriz Hidrogeneradores
• Las características dependen del salto de
agua:
Salto grande: Turbina Pelton, eje horizontal y vertical (750-375 rpm)
Salto medio: Turbina Francis, eje vertical
(150 rpm)
Salto pequeño: Turbina Kaplan, eje vertical (< 100 rpm)
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Tipos según la máquina motriz Hidrogeneradores
• Rotor de polos salientes (20-40 polos, 100
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
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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
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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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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
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Sistemas de excitación Sin escobillas y excitatriz piloto
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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.)
•
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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
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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
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Reacción del inducido Carga resistiva
( )∫ ⋅×= lr rr dBve
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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
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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)
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Reacción del inducido Carga capacitiva
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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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![Page 42: Generalidades de los sistemas de energía eléctrica · PDF fileBibliografía • J. Fraile. “Máquinas Eléctricas”. Sexta Edición. McGraw-Hill. Madrid. 2008 • J. Fraile, J.](https://reader034.fdocumento.com/reader034/viewer/2022042501/5a72d52d7f8b9aa7538e014b/html5/thumbnails/42.jpg)
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
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Diagrama fasorial de un alternador
• Aplicación: Cálculo de Ie para V, I conocidas
IjXIRVEr
r r r r = + + σ
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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
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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
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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
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Regulación de tensión
• Aplicaciones:
Control de tensión (carga) ⇒ Equipos de regulación automática de tensión que controla la excitación
Corrientes de cortocircuito ⇒ Tamaño y
poder de corte de interruptores
47
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Ángulo de carga
Vm
rδ = δ −∠
0Er
∠≡δ
• Relacionado con la potencia activa
48
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Característica exterior
• Representación de V = f(I), Ie = Cte. • Ie = Cte. ⇒ V(I = 0) = E0 = VN
49
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Característica de regulación
• Representación de Ie = f(I), V = VN • Ie0 ⇒ V(I = 0) = E0 = VN
50
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Análisis de la máquina síncrona Circuito equivalente
• Reacción del inducido:
V, I, E ⇔ Magnitudes eléctricas
F, φ ⇔ Magnitudes magnéticas • Simplicidad de cálculo ⇒ Circuito eléctrico
equivalente • Objetivo ⇒ Cálculo de la regulación
51
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Análisis de la máquina síncrona Circuito equivalente
• Proceso de estudio:
Rotor cilíndrico ⇒ Análisis lineal (Método de Behn-Esschenburg)
Rotor cilíndrico ⇒ Análisis no lineal (Método
de Potier o del factor de potencia nulo)
Rotor de polos salientes ⇒ Análisis lineal (Teoría de las dos reacciones)
52
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Método de Behn-Esschenburg Impedancia síncrona
• Máquina de rotor cilíndrico • Operación en la zona lineal ⇒ φ = kF • Principio de superposición (ventaja):
r
iii
0eee
EE
EE r
rrr
rrrr
⇒⎪⎭
⎪⎬
⎫
⇒φ⇒
=⇒φ⇒
F
F
53
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Método de Behn-Esschenburg Impedancia síncrona
Er
iℑr
eℑr
IV⎪⎭
⎪⎬
⎫
⎪⎩
⎪⎨
⎧
T
S
R
III
INDUCIDO
INDUCTOR
R XσΦσ
EiΦi
E0ΦeeI
54
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Método de Behn-Esschenburg Impedancia síncrona
• Conversión de magnitudes magnéticas:
Flujo de dispersión (φσ
r)
o IjX
rσ
I ⇒ Caída de tensión adelantada 90º
respecto a r
Flujo de excitación (φe
r)
o 0Er
⇒ f.e.m. retrasada 90º respecto a φe
r
55
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Método de Behn-Esschenburg Impedancia síncrona
φ Flujo de reacción del inducido ( i
r)
o IjXE ii
rr−=
i
⇒ Caída de tensión retrasada 90º respecto a I
r) φ
r (
o Xi ⇒ Reactancia de reacción del inducido
56
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Método de Behn-Esschenburg Impedancia síncrona
• Diagrama fasorial:
i0rier EEEr r rr r r
= + =⇒ +F F F
57
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Método de Behn-Esschenburg Impedancia síncrona
• Sustituyendo:
IjXIjXIRVE i0
r r r r r = + + +σ
( ) ( )IjXRVIjXRVE si0 jXr rr r r
+= + + = + + σ
IZVE s0
r r r r= +
58
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Método de Behn-Esschenburg Impedancia síncrona
• Xs ≡ Reactancia síncrona (Cte. ⇒ No
saturada) • sZ
r ≡ Impedancia síncrona
59
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Ensayos de vacío y cortocircuito Cálculo de la impedancia síncrona
60
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Ensayos de vacío y cortocircuito Cálculo de la impedancia síncrona
• Ensayo de vacío:
VE0I 0
r r r = =⇒
• Ensayo de cortocircuito:
( )FaseEZ0V 0rIcc
s
rrr
=⇒=
• Ambos dependen de Ie
61
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Ensayos de vacío y cortocircuito Cálculo de la impedancia síncrona
• Ensayo de cortocircuito ⇒ F resultante ↓↓
(efecto desmagnetizante) ⇒ Zonal lineal • Hipótesis: R = 0
62
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Ensayos de vacío y cortocircuito Cálculo de la impedancia síncrona
63
![Page 64: Generalidades de los sistemas de energía eléctrica · PDF fileBibliografía • J. Fraile. “Máquinas Eléctricas”. Sexta Edición. McGraw-Hill. Madrid. 2008 • J. Fraile, J.](https://reader034.fdocumento.com/reader034/viewer/2022042501/5a72d52d7f8b9aa7538e014b/html5/thumbnails/64.jpg)
Ensayos de vacío y cortocircuito Cálculo de la impedancia síncrona
• Impedancia síncrona no saturada:
( ) fase/ e'0
saturada noZs Ω= d0
• Impedancia síncrona saturada:
( ) fase/ f'0
saturadaZs Ω= d0
64
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Ensayos de vacío y cortocircuito Cálculo de la impedancia síncrona
• Reactancia síncrona:
22ss RZX −=
• Relación de cortocircuito (SCR) ⇒ Parámetro
adimensional proporcional al tamaño de la máquina:
( )( ) c0
b0IIIVEISCRNcce
N0e ===
=
65
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Análisis no lineal Método de Potier o del cos ϕ nulo
• Máquinas de rotor cilíndrico en zona no lineal
⇒ φ ≠ kF • Behn-Esschenburg ⇒ Errores apreciables • Método de Potier ⇒ Método gráfico:
Curva de vacío, E0 = f(Ie)
Ensayo del factor de potencia nulo con I = IN 66
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Análisis no lineal Método de Potier o del cos ϕ nulo
E0
rℑr
I
XσI
V
Er
iℑr
iℑ−r
eℑr
IXVEIjXVE rr
rσσ +=⇒+=
r r
ireire FFFFFFr r r
= − ⇒ = +
• Carga inductiva ⇒ Reacción del inducido
opuesta al campo inductor 67
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Análisis no lineal Método de Potier o del cos ϕ nulo
• Curvas de vacío y del cos ϕ nulo:
B’
E0, V RECTA DEL ENTREHIERRO
IeF
ℑi ℑi
M
Er
A B D
C
A’
C’
EXCITACIÓN
CURVA REACTIVA
CURVA DE VACÍO
XσI
O
VN
68
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Análisis no lineal Método de Potier o del cos ϕ nulo
• Hipótesis:
R = 0
Curvas de vacío y en carga semejantes ⇒ Mismo circuito magnético
( ) ( )rre0 'fEfE = ≈ = F F
Xσ constante
69
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Análisis no lineal Método de Potier o del cos ϕ nulo
• Análisis en sentido inverso ⇒ Datos
conocidos: curva de vacío, Fi, VN y punto A
OFier CPuntoOMMF−=−= FFF = ⇒
ABCTriánguloBCMBMCVEIX = − = − ⇒= rσ
Si Xσ e I son constantes ⇒ Desplazamiento
del triángulo ABC (triángulo de Potier) ⇒ Curvas de vacío y del cos ϕ nulo
70
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Análisis no lineal Método de Potier o del cos ϕ nulo
• Análisis en sentido directo ⇒ Datos
conocidos: VN y puntos A y A’
ADO'A ⇒ DPunto=
Paralela a recta de entrehierro desde D ⇒
Punto C
Perpendicular a AD desde C ⇒ Punto B
Resultado: AB = Fi y BC = XσI 71
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Análisis no lineal Método de Potier o del cos ϕ nulo
• En realidad:
IXBC σ> • Si Ie ↑ ⇒ φσ↑ ⇒
( ) ( )rre0 'fEfE = ≠ =F F • Poca influencia para rotor cilíndrico • Método aplicable a rotor de polos salientes
72
![Page 73: Generalidades de los sistemas de energía eléctrica · PDF fileBibliografía • J. Fraile. “Máquinas Eléctricas”. Sexta Edición. McGraw-Hill. Madrid. 2008 • J. Fraile, J.](https://reader034.fdocumento.com/reader034/viewer/2022042501/5a72d52d7f8b9aa7538e014b/html5/thumbnails/73.jpg)
Máquina de polos salientes Teoría de las dos reacciones
• Entrehierro q >> Entrehierro d
• Reacción del inducido única ⇒ Poca precisión ⇒ 2 componentes ( dF
r y qF
r)
• Análisis lineal
73
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Máquina de polos salientes Teoría de las dos reacciones
Φq Er
iℑr
eℑr
IV
INDUCIDO ⎪
⎪⎬
⎫
⎪
⎪⎨
⎧
S
R
III
⎭⎩ T
INDUCTOR E0Φe
EidΦd
Eiqqℑ r
dℑr
eI
d idid IjXE
r r
= −
q iqiq IjXErr
= −
q d IIIr r r= +
74
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Máquina de polos salientes Teoría de las dos reacciones
• Componente en la dirección del eje d
d IjdIr
ddd eIIIr r
∠=
º90EI o º90EI,0I 0d0dd
=∠
r r r r∠> = ∠ − ∠ = ∠ +
• Componente en la dirección del eje q
q Ijqq qq eIIII
r r r∠=∠=
º180EI o EI,0I 0q 0q q
r r r r> ∠ = ∠ ∠ = ∠ ±
75
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Máquina de polos salientes Teoría de las dos reacciones
q iq0 IjXVEr
d id IjXIjXIRrrrrr
++++ =
q qd d0 IjXIjXIRVE
σ r r r r r
= + + +
• Reactancia síncrona de eje directo
idd XXX = + σ
• Reactancia síncrona de eje en cuadratura
iqq XXX = + σ
76
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Teoría de las dos reacciones Resolución
• Datos típicos: V
r, Ir, ϕ, R, Xq, Xd
• Incógnitas: 0E
r, q Ir
, dIr
(sólo Iq e Id) • Método analítico ⇒ Sistema lineal de 4
ecuaciones y 4 incógnitas ⇒ Resolución ardua (no se conoce el desfase de 0E
r)
77
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Teoría de las dos reacciones Resolución alternativa
• Fundamento ⇒ Obtención del desfase de 0E
r
( )IEIsenI 0d
rr= ∠ −∠
( )IE0
r rcosIIq = ∠ −∠
78
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Teoría de las dos reacciones Resolución alternativa
• Despejando q I
r y reagrupando:
( ) d qdq0 IXXjIjXIRVEr rrr r
= + + + −
• ( ) d qd IXXj
r− en fase con 0E
r ⇒ IjXIRV q
r r r++ en
fase con 0Er
79
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
ALTERNADOR EN UNA RED AISLADA
80
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
ALTERNADOR EN UNA RED AISLADA CARACTERÍSTICAS
1) FRECUENCIA ⇔ VELOCIDAD MOTOR PRIMARIO 2) FACTOR DE POTENCIA GENERADOR = FACTOR DE POTENCIA CARGA 3) TENSIÓN DE SALIDA DEPENDE DE:
• VELOCIDAD DE GIRO • CORRIENTE DE EXCITACIÓN • CORRIENTE DE INDUCIDO • FACTOR DE POTENCIA CARGA
81
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
REGULADOR DE TENSIÓN
HIPÓTESIS:
1) VELOCIDAD = CTE. ⇒ f = CTE.
2) REGULADOR DE TENSIÓN = CTE. ⇒ Fe = CTE.
SI SE PRODUCE UNA VARIACIÓN DE LA CARGA (P, Q): • VARIACIÓN EN LA CORRIENTE ⇒ VARIACIÓN EN LA REACCIÓN DEL
INDUCIDO • VARIACIÓN EN LA FUERZA MAGNETOMOTRIZ RESULTANTE EN EL
ENTREHIERRO ⇒ ΔER ⇒ ΔV PARA MANTENER V CTE. ⇒ ACTUACIÓN DEL REGULADOR DE TENSIÓN SOBRE LA EXCITACIÓN ⇒ ΔE0
82
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
REGULADOR DE VELOCIDAD
83
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
REGULADOR DE VELOCIDAD
HIPÓTESIS: Pm
1) Pmecánica = CTE.
2) Pgenerada = Pcarga
SI SE PRODUCE UNA VARIACIÓN DE LA CARGA (P, Q): • VARIACIÓN EN ENERGÍA CINÉTICA ⇒ VARIACIÓN EN LA VELOCIDAD • VARIACIÓN EN f
PARA MANTENER f CTE. ⇒ ACTUACIÓN DEL REGULADOR DE VELOCIDAD SOBRE LA VÁLVULA DE ADMISIÓN ⇒ ΔPmecánica ⇒ Δ VELOCIDAD HASTA EQUILIBRIO
84
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
REGULADOR DE VELOCIDAD
RELACIÓN POTENCIA - VELOCIDAD TURBINA ⇒ CURVA DE ESTATISMO f(P):
a
Pn
f
B
A
PPbPa
f1fa
f2fb
b
C’
f
B
B’
PP’P
fn
f'D
C
A’
A
REGULACIÓN PRIMARIA REGULACIÓN SECUNDARIA
REGULADOR ASTÁTICO f(P) = CTE. AUMENTO DE CARGA: P → P’ REGULADOR PRIMARIO: fn → f’ REGULADOR SECUNDARIO (VARIADOR DE VELOCIDAD): f’ → fn
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
MANIOBRA ACOPLAMIENTO A RED: SINCRONIZACIÓN
CONDICIONES: 1) MISMO NÚMERO DE FASES, SECUENCIA, TENSIÓN EFICAZ NOMINAL 2) MISMA FRECUENCIA 3) TENSIONES HOMÓLOGAS EN FASE ESQUEMAS:
86
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
MANIOBRA ACOPLAMIENTO A RED: SINCRONIZACIÓN
87
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA. RED POTENCIA INFINITA
ROTOR CILÍNDRICO, NO SATURADA
IjXVE s0
rrr+=
)(SenjE)(CosEEE 0000 δ+δ=°δ∠=r
°∠= 0VVr
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA. RED POTENCIA INFINITA
s
0
jXVEIrr
r −=
s
00
jX)(SenjEV)(CosEI δ+−δ
=r
s
00*
jX)(SenjEV)(CosEI
−δ−−δ
=r
s
20
s
0*
XV)(VCosE3j)(Sen
XVE3IV3S −δ
⋅+δ==rrr
)(SenX
VE3Ps
0 δ= Q E VCos VXs
=−3 0
2( )δ
89
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA. RED POTENCIA INFINITA
ANÁLISIS DE P
)(SenP)(SenX
VE3P maxs
0 δ=δ=
–180º –90º90º 180º0º
Pmax
–Pmax
MOTOR
GENERADOR
δ > 0 ⇒ P > 0 ⇒ P DESARROLLADA > 0 ⇒ GENERADOR (E0 DELANTE V) δ < 0 ⇒ P < 0 ⇒ P DESARROLLADA < 0 ⇒ MOTOR (E0 DETRÁS V)
90
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA. RED POTENCIA INFINITA
ANALOGÍA MECÁNICA:
ANÁLISIS DE Q
s
20
XV)(VCosE3Q −δ
=
91
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA. RED POTENCIA INFINITA
• E0Cos(δ) > V
MÁQUINA SÍNCRONA LA RED ⎪⎩
⎪⎨
⎧
DE CAPACITIVA Q RECIBE
AINDUCTIVA Q ENTREGA
MÁQUINA SOBREEXCITADA
• E0Cos(δ) < V
MÁQUINA SÍNCRONA LA RED ⎪⎩
⎪⎨
⎧
ACAPACITIVA QNTREGA E
DEINDUCTIVA Q ECIBER
MÁQUINA SUBEXCITADA
92
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
EFECTOS DE LA VARIACIÓN DE LA EXCITACIÓN
TRAS ACOPLAMIENTO ESTÁ FLOTANTE
s
0
jXVEIrr
r −=
AUMENTA EXCITACIÓN ⇒ ↑E0 ⇒ rI REACTIVA > 0
VEE 0x
rrr−=
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
EFECTOS DE LA VARIACIÓN DE LA EXCITACIÓN
DISMINUYE EXCITACIÓN ⇒ ↓ E0
⎪⎪⎪
⎭
⎪⎪⎪
⎬
⎫
↓<
↑>
=
exc
exc
I 0Q
I 0Q
0P
COMPENSADOR SÍNCRONO
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
EFECTOS DE LA VARIACIÓN DEL PAR MECÁNICO (REGULADOR DE VELOCIDAD)
SITUACIÓN INICIAL “FLOTANTE” APERTURA ADMISIÓN VAPOR ⇒ ↑ POTENCIA MECÁNICA ⇒ ROTOR ACELERA ⇒ E0 SE ADELANTA δº RESPECTO V SI E0 = CTE. ⇒ VE0
rr=
95
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
EFECTOS DE LA VARIACIÓN DEL PAR MECÁNICO (REGULADOR DE VELOCIDAD)
2π
=δ ≡ LÍMITE DE ESTABILIDAD ESTÁTICA
↑ Pmec ⇒ ↓ Pe ⇒ ACELERACIÓN, SALIDA SINCRONISMO SI ↑ Iexc ⇒ |E0| ↑ (P = CTE.) ⇒ ↓ δ LUGARES GEOMÉTRICOS DE P = CTE.
P = 3VICos(ϕ) = k1[OA]
[ ]BCk)(SenEXV3P 20s
=δ=
96
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
LUGARES GEOMÉTRICOS ALTERNADOR (P = CTE.) PARA DISTINTAS EXCITACIONES
P = CTE. ⇒ ⎪⎩
⎪⎨
⎧
=δ
=ϕ
.CTE)(SenE
.CTE)(ICos
0
IjXVE s0
rrr+=
97
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
LUGARES GEOMÉTRICOS MOTOR (P = CTE.) PARA DISTINTAS EXCITACIONES
INICIALMENTE GENERANDO P SI SE DISMINUYE Pmec ⇒ “FLOTANTE” SE DESCONECTA EL MOTOR PRIMARIO SE CONECTA UNA CARGA ⇒ MOTOR SÍNCRONO
98
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
CURVAS EN V DE MORDEY
99
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE ALTERNADORES
∑Pi = PCARGA
∑Qi = QCARGA
100
![Page 101: Generalidades de los sistemas de energía eléctrica · PDF fileBibliografía • J. Fraile. “Máquinas Eléctricas”. Sexta Edición. McGraw-Hill. Madrid. 2008 • J. Fraile, J.](https://reader034.fdocumento.com/reader034/viewer/2022042501/5a72d52d7f8b9aa7538e014b/html5/thumbnails/101.jpg)
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE ALTERNADORES
fa = f1 - 1k
1 P1 = f2 - 2k
1 P2
f1, f2 ≡ FRECUENCIAS DE VACÍO
1 REGULADOR DEL CONSTANTEff
Pka1
11 ≡
−=
2 REGULADOR DEL CONSTANTEff
Pka2
22 ≡
−=
)(tan)(tan
kk
PP
2
1
2
1
2
1
αα
==
MÁS CARGADO EL DE MAYOR α
101
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE ALTERNADORES
SI SE ACTÚA SOBRE EL REGULADOR SECUNDARIO DE LA MÁQUINA 1 (↓)
P1
f
P2 P1
fc
PI
P2
REPARTO MÁS EQUITATIVO DE LA CARGA ⎪⎩
⎪⎨
⎧
↑
↓
2
1
P
P
REDUCCIÓN FRECUENCIA DEL CONJUNTO
102
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE ALTERNADORES
SI SE QUIERE RESTABLECER LA FRECUENCIA (PROCESO COMPLETO):
A” B” A
P1
f
CURVA P’1
CURVA P1 B
B’ A’
P1P’1 P”1 P2 P’2 P2 P”2 0
CURVA P2
CURVA P’2 fi
AB(fi) → A’B’(f > fi) → A’’B’’(fi)
103
![Page 104: Generalidades de los sistemas de energía eléctrica · PDF fileBibliografía • J. Fraile. “Máquinas Eléctricas”. Sexta Edición. McGraw-Hill. Madrid. 2008 • J. Fraile, J.](https://reader034.fdocumento.com/reader034/viewer/2022042501/5a72d52d7f8b9aa7538e014b/html5/thumbnails/104.jpg)
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE ALTERNADORES
REACTIVA HIPÓTESIS:
• POTENCIA PRIMARIA CONSTANTE • SE VARÍA LA EXCITACIÓN
)(SenX
VE3P 11s
011 δ=
1s
2
11s
011 X
V3)(CosX
VE3Q −δ=
104
![Page 105: Generalidades de los sistemas de energía eléctrica · PDF fileBibliografía • J. Fraile. “Máquinas Eléctricas”. Sexta Edición. McGraw-Hill. Madrid. 2008 • J. Fraile, J.](https://reader034.fdocumento.com/reader034/viewer/2022042501/5a72d52d7f8b9aa7538e014b/html5/thumbnails/105.jpg)
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE ALTERNADORES
SE SUPONE V = CTE.
⎪⎭
⎪⎬
⎫
↑↑⇒
=
E I
.CTEP
011exc
1
⇒Sen(δ1) ↓ ⇒ δ1 ↓ ⇒ Cos(δ1) ↑ ⇒ Q ↑ (AUMENTA Q CEDIDA RED)
105
![Page 106: Generalidades de los sistemas de energía eléctrica · PDF fileBibliografía • J. Fraile. “Máquinas Eléctricas”. Sexta Edición. McGraw-Hill. Madrid. 2008 • J. Fraile, J.](https://reader034.fdocumento.com/reader034/viewer/2022042501/5a72d52d7f8b9aa7538e014b/html5/thumbnails/106.jpg)
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
MOTORES SÍNCRONOS
GRAVE INCONVENIENTE:
• PARA CUALQUIER VELOCIDAD ≠ SINCRONISMO ⇒ PAR MEDIO NULO • HAY QUE LLEVARLO A VELOCIDAD DE SINCRONISMO
106
![Page 107: Generalidades de los sistemas de energía eléctrica · PDF fileBibliografía • J. Fraile. “Máquinas Eléctricas”. Sexta Edición. McGraw-Hill. Madrid. 2008 • J. Fraile, J.](https://reader034.fdocumento.com/reader034/viewer/2022042501/5a72d52d7f8b9aa7538e014b/html5/thumbnails/107.jpg)
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
ARRANQUE MOTOR SÍNCRONO
1) MOTOR AUXILIAR: MOTOR PONY
A) MOTOR ASÍNCRONO
• CON EL MISMO NÚMERO DE POLOS: VELOCIDAD CASI SÍNCRONA
• CON UN PAR DE POLOS MENOS: CONEXIÓN TRAS DESCONECTAR EL MOTOR AUXILIAR AL PASO POR VELOCIDAD DE SINCRONISMO
B) MOTOR CORRIENTE CONTINUA
• REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD
107
![Page 108: Generalidades de los sistemas de energía eléctrica · PDF fileBibliografía • J. Fraile. “Máquinas Eléctricas”. Sexta Edición. McGraw-Hill. Madrid. 2008 • J. Fraile, J.](https://reader034.fdocumento.com/reader034/viewer/2022042501/5a72d52d7f8b9aa7538e014b/html5/thumbnails/108.jpg)
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
ARRANQUE
2) ARRANQUE COMO ASÍNCRONOS
JAULA DE ARDILLA EN LOS POLOS “DEVANADO AMORTIGUADOR”
108
![Page 109: Generalidades de los sistemas de energía eléctrica · PDF fileBibliografía • J. Fraile. “Máquinas Eléctricas”. Sexta Edición. McGraw-Hill. Madrid. 2008 • J. Fraile, J.](https://reader034.fdocumento.com/reader034/viewer/2022042501/5a72d52d7f8b9aa7538e014b/html5/thumbnails/109.jpg)
AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
ARRANQUE
• ARROLLAMIENTO INDUCTOR CORTOCIRCUITADO R’ (↑↑ V, ↑↑ I)
• 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
109
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AMPLIACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINA SÍNCRONA
CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA (MOTORES)
110
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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
111
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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
112
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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 =
113
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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
114
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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
OTROS AUTORES: δmax = 60º (CTE.)
115