Laboratorio de Maquinas

- 29 -

Universidad de Chile | FCFM | Minor en Energas Renovables EL6000

CAPTULO 2 Conceptos bsicos de mquinas elctricas

INVERSORESDispositivo que convierte las variables elctricas en corriente continua (DC) en alternas (AC). Su utilidad radica en que el voltaje en los paneles fotovoltaicos y en las bateras es continuo, mientras que muchas veces es necesario suministrar cargas alternas.

Las principales caractersticas de un inversor son su tensin y potencia nominal, su capacidad de suministrar picos de potencia transitorios, su eficiencia, y la estabilidad de su tensin de salida.La distorsin armnica de una idea de lo que se asemeja una onda a una sinusoide. Los inversores cuya salida es una onda cuadrada tienen una elevada distorsin armnica y son vlidos nicamente para cargas resistivas. Los inversores de onda sinusoidal escalonada (escalones simulando una onda sinusoidal) pueden alimentar a algunos aparatos electrnicos, aunque para cargas electrnicas sensibles y motores se deben utilizar inversores de onda sinusoidal pura.

Adems, en sistemas elctricos aislados de la red el inversor debe ser capaz de funcionar en paralelo con otros generadores y sincronizar su onda de tensin con ellos. Estos inversores deben ser capaces tambin de generar la onda de tensin cuando ningn otro generador opera.

2.1 INTRODUCCIN

Una mquina elctrica es un dispositivo que transforma energa elctrica en otro tipo de energa, o viceversa. Los tipos de energa en que se puede transformar la energa elctrica son la energa cintica (mquinas rotatorias) o la energa potencial de los campos magnticos (mquinas estticas).

Las mquinas elctricas estticas son

aqullas que no tienen partes mviles, tales como los transformadores, que son dispositivos que cambian el nivel de tensin (voltaje) de la energa elctrica en corriente alterna, es decir, estos equipos conservan el tipo de energa (elctrica) entre su entrada y su salida pero modifica sus propiedades. Tambin se consideran mquinas elctricas estticas los inversores y los rectificadores, que son dispositivos encargados de transformar la energa elctrica en corriente continua (DC) a corriente alterna (AC) y viceversa.

Las mquinas elctricas rotatorias son

aqullas que transforman energa elctrica en energa mecnica, en cuyo caso se dice que la mquina corresponde a un motor, o la energa mecnica en energa elctrica, en cuyo caso se dice que la mquina corresponde a un generador. Todas las mquinas rotatorias tienen una parte mvil que se denomina rotor y una parte fija que se denomina estator. Al espacio de aire que existe entre la parte fija y mvil

- 30 -

Generacin de Energa Elctrica con Fuentes Renovables

RECTIFICADORESDispositivo que sirve para convertir la tensin alterna en continua. Existen rectificadores controlados que emplean tiristores y transistores, y no controlados, que emplean diodos. Tambin existen convertidores bidireccionales AC/DC (inversor y rectificador integrados), algunos con regulacin de carga de bateras. Las principales caractersticas de un rectificador son: la tensin y potencia nominal, y su eficiencia.

de la mquina elctrica se le denomina entrehierro, por estar las otras dos partes constituidas de este material.

2.2 CIRCUITOS MAGNTICOS

2.2.1 CAMPOS MAGNTICOS

Para entender el funcionamiento de una mquina elctrica es necesario considerar la presencia de un campo magntico, imprescindible para realizar la conversin de la energa.

Existen materiales, como la magnetita, que naturalmente constituyen imanes permanentes naturales (atraen trozos de hierro). Estos materiales producen un campo de fuerzas (campo magntico) en su entorno. La variable que describe este campo es la densidad de flujo magntico

, que es una variable vectorial cuya direccin es tangente a las lneas de campo magntico y cuya magnitud aumenta mientras mayor es la cantidad de lneas por unidad de rea.

La Ilustracin 2.1 muestra el campo magntico de un imn permanente, notndose una mayor densidad de lneas

Ilustracin 2.1: Campo magntico de un imn permanente.

Una variable vectorial es aquella que se define por su magnitud, direccin y sentido. Suelen representarse como flechas en el plano cartesiano, cuyo largo corresponde a la magnitud y la ubicacin de la punta de flecha indica el sentido. La variable representa una variable vectorial en el plano cartesiano.

de campo magntico al interior del material. Adems se puede observar la forma tpica en que se cierran las lneas de campo magntico.

Se define el flujo magntico a travs de una superficie como:

La unidad de medida de la densidad de flujo magntico en el sistema MKS es el . Para el

- 31 -


Ilustracin 2.2: Campos magnticos creados por corriente elctrica.

flujo magntico la unidad de medida es el

.

Otra forma de producir un campo magntico es a travs de una corriente elctrica circulando por un conductor

tal como se muestra en la Ilustracin 2.2 (a). En la Ilustracin 2.2 (b) se observa la forma que toma el campo magntico al formar una bobina con el conductor. Esta configuracin, llamada electroimn, es la ms usada en mquinas elctricas para producir campos magnticos.

2.2.2 LEY DE AMPERE

La ley de Ampere relaciona la densidad de corriente elctrica y la densidad de flujo magntico creado por sta , tal como se muestra a continuacin:

La integral de la densidad de flujo se realiza sobre una trayectoria cerrada y plana, y la segunda integral sobre la superficie encerrada por la trayectoria recin mencionada. La constante se denomina permeabilidad magntica del medio, que para materiales ferromagnticos tiene un valor de

. Si la corriente elctrica se encuentra concentrada en un conductor unidimensional se puede escribir la ecuacin anterior como:

Donde es la corriente elctrica total que

atraviesa la trayectoria encerrada por .

2.3 TRANSFORMADOR MONOFSICO

El transformador es una mquina elctrica esttica que opera en corriente alterna, recibiendo energa a un cierto nivel de tensin y corriente y entregndola a otro nivel de tensin y corriente. Todos los transformadores son fundamentales en los sistemas elctricos de transmisin y distribucin, donde es importante elevar el voltaje para transportar la energa elctrica grandes distancias con pocas prdidas.

2.3.1 ASPECTOS CONSTRUCTIVOS

Las partes principales de un transformador son el ncleo ferromagntico y los enrollados. A medida que aumenta su potencia nominal, cuentan con una gran cantidad de accesorios que permiten su operacin, instalacin y mantenimiento seguros a travs del tiempo.

El ncleo est formado, generalmente por lminas de acero silicoso. Este ncleo

- 32 -


laminado tiene por objetivo reducir las prdidas por corrientes de Foucault. Por otro lado, los enrollados son conductores de cobre recubierto con aislacin adecuada al nivel de tensin.

2.3.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

El transformador monofsico, es un dispositivo que consta, en su versin ms simple, de dos o ms enrollados enlazados por un flujo magntico mutuo a travs de un ncleo de material ferromagntico, siendo capaz de generar tensiones inducidas a partir de la variacin de los flujos que enlazan sus enrollados.

Uno de estos enrollados (primario) se conecta a una fuente de alimentacin alterna , circulando por l una corriente alterna que genera un flujo variable en el tiempo cuya magnitud depender del voltaje aplicado y del nmero de espiras del primario (vueltas del conductor). Una parte de este flujo enlaza al otro enrollado (secundario), induciendo en l una tensin tambin alterna cuya magnitud depender del nmero de espiras del mismo. Al inducirse esta tensin alterna, el enrollado secundario tambin genera un flujo magntico variable , siendo una parte del mismo enlazada por el primario por lo que el resultado global del proceso es un flujo magntico alterno comn que enlaza a ambos enrollados:

Se utilizan ncleos de material ferromagntico, pues as el flujo queda confinado a un circuito bien definido y de alta permeabilidad que enlaza ambos enrollados, obtenindose un mejor resultado que con un ncleo de aire. Por otro lado, una parte de los flujos

alternos inducidos en las bobinas salen del ncleo ferromagntico y por tanto, no enlazan sino al mismo enrollado que las produce. Estos flujos se conocen como

flujos de fuga y afectan el funcionamiento del transformador, el cual se presenta en la Ilustracin 2.3.

Ley de Induccin Electromagntica (Faraday-Lenz)Establece que el voltaje inducido en un circuito elctrico cerrado es directamente proporcional a la variacin temporal del flujo magntico que atraviesa la superficie definida por dicho circuito. (Esta ley se presente en detalle en la seccin que explica el Principio de Funcionamiento bsico del generador elctrico).

PERMEABILIDAD MAGNTICAEs la capacidad que tiene un material para hacer pasar a travs de s un campo magntico, la que se define por la relacin entre la densidad de flujo magntico y la intensidad de campo magntico que aparece en el interior del material . Los materiales ferromagnticos poseen valores de permeabilidad magntica muy grandes, y por ello se usan para confinar circuitos magnticos, evitando al mximo los flujos de fuga. Se suele representar la permeabilidad como:

- 33 -


2.3.3 TRANSFORMADOR MONOFSICO IDEAL

Un transformador monofsico ideal es aquel en el cual no hay prdidas de potencia ni fugas de flujo magntico (es decir, donde la permeabilidad del ncleo es infinita comparada con la del aire). Se supone, en lo que sigue, que el nmero de vueltas del enrollado primario es mientras que el nmero de vueltas del enrollado secundario es . En este caso el flujo es enlazado totalmente por las vueltas del primario y las vueltas del secundario, cumplindose (de acuerdo a la Ley de Faraday-Lenz) que:

y

Es decir, se cumple que:

A la razn se le denomina usualmente razn de transformacin y se designa con la letra . Se observa, que cambiando el nmero de vueltas de

uno y otro enrollado se puede conseguir prcticamente cualquier relacin entre las tensiones primaria y secundaria.

Por otro lado, de la conservacin de la potencia se cumple que:

Con lo que, la relacin para las corrientes ser igual a:

Para la relacin de corrientes anterior debe considerarse, que sta es vlida siempre que se cumpla que los flujos generados por las corrientes en los enrollados primario y secundario se resten, es decir, tienen sentidos opuestos, en cuyo caso se dice que el transformador tiene polaridad sustractiva (tal como se muestra en la Ilustracin 2.4). En el caso en que las corrientes del primario y secundario generan flujos solidarios que se suman aparecer un signo negativo en la relacin para las corrientes y se dice que el transformador tiene polaridad aditiva (Ilustracin 2.5).

Ilustracin 2.3: Principio de funcionamiento del transformador monofsico.

- 34 -


Ilustracin 2.4: Transformador de polaridad sustractiva.

Ilustracin 2.6: Marcas de polaridad en transformadores monofsicos.

Ambas polaridades se representan con dos puntos ubicados en posiciones diferentes en el secundario de acuerdo a si el transformador es de polaridad sustractiva o aditiva, tal como se muestra en la Ilustracin 2.6:

REGLA DE LA MANO DERECHAPara entender el concepto de polaridad es necesario entender en qu direccin y sentido se producen las lneas de flujo magntico al circular una corriente elctrica por una bobina. La direccin y el sentido de estas lneas vienen dados por el lugar hacia el cual apunta el pulgar de la mano derecha al hacer girar dicha mano en el sentido que lo hace la corriente elctrica en el enrollado, tal como se muestra a continuacin:

Adems de lo anterior, debe considerarse que en la realidad los supuestos que se han planteado no se cumplen, por lo que es necesario cambiar las ecuaciones anteriores, ajustndolas a las prdidas presentes en un transformador real.

2.3.4 TRANSFORMADOR MONOFSICO REAL CIRCUITO EQUIVALENTE

El circuito equivalente (Ilustracin 2.7) representa el comportamiento electromagntico del transformador considerando las prdidas de potencia y flujos de fuga.

Ilustracin 2.5: Transformador de polaridad aditiva.

- 35 -


Ilustracin 2.7: Circuito equivalente exacto del transformador monofsico.

CORRIENTE DE FOUCAULTLos efectos electromagnticos en las mquinas elctricas producen tensiones inducidas en los ncleos ferromagnticos de las mismas, los cuales redundan en la circulacin de corrientes parsitas indeseadas por ellos, las cuales reciben el nombre de corrientes de Foucault.

HISTRESISEs el fenmeno que se produce al someter el ncleo ferromagntico a un campo magntico creciente, en ese caso los dipolos magnticos que los constituyen se orientan segn el sentido del campo (de manera solidaria). Al disminuir el campo, la mayora de los dipolos recobran su posicin inicial, sin embargo, otros conservan en parte su orientacin forzada por el campo magntico. Esto produce que quede una induccin magntica remanente incluso cuando desaparece el campo magntico externo al material, lo cual se traduce en prdidas en el transformador.

Cada parmetro dentro del circuito equivalente representa un fenmeno del transformador real que lo aleja del modelo ideal.

Prdidas en el Cobre:Estas prdidas son proporcionales al

cuadrado de la corriente que circula por los enrollados del transformador. Se deben a la resistencia en el enrollado primario (R1) y secundario (R2), las que se agregan al modelo del transformador.

Flujos de Fuga: Existen flujos de fuga que escapan del

material ferromagntico, pues ste no tiene permeabilidad magntica infinita. Estos flujos slo son enlazados por el enrollado que los produce y producen una autoinductancia en ellos. Este efecto se agrega al modelo mediante las reactancias de fuga X1 y X2, para el primario y secundario respectivamente.

Prdidas en el Ncleo de Fierro: Existen prdidas por corrientes parsitas

o de Foucault y prdidas por histresis en el ncleo ferromagntico. Todas estas prdidas son proporcionales al cuadrado del voltaje aplicado al transformador, razn por la cual se incluyen en la rama en paralelo bajo la forma de la resistencia R0.

Reactancia de Magnetizacin: Representa la componente de

armnicas en la corriente de excitacin y la componente en cuadratura. La primera

se debe a la curva caracterstica del ncleo con presencia de saturacin. La segunda se debe al efecto propio de la corriente de magnetizacin, la cual es la encargada de generar la fuerza magnetomotriz para que circule el flujo magntico mutuo enlazado por ambos enrollados. Ambos fenmenos se presentan mediante la reactancia de magnetizacin X0, en paralelo con la resistencia R0.

- 36 -


Ilustracin 2.8: Formas de onda del flujo magntico y la corriente de excitacin.

2.3.5 CONTENIDO ARMNICO

La saturacin magntica del ncleo de los transformadores se refiere a que aunque se aumente indefinidamente el flujo magntico, el aumento de la corriente de magnetizacin es cada vez menor. Esto tiene efectos sobre la forma de onda

de la corriente de excitacin en vaco, ya que, aunque el flujo magntico vare sinusoidalmente, debido a la saturacin (y tambin al ciclo de histresis), la corriente de excitacin no ser puramente sinusoidal. La forma de onda del flujo y de la corriente de excitacin se muestran en la Ilustracin 2.8.

En la Ilustracin 2.8 se puede observar que la forma de onda de la corriente no es sinusoidal debido a la variacin no lineal de la corriente con el flujo magntico y tampoco es simtrica (debido al ciclo de histresis). Es por ello que se dice que la forma de onda de la corriente es una suma de distintas formas de onda de frecuencia distinta, donde la frecuencia menor se denomina frecuencia fundamental y se denomina armnicas a todas las formas de onda con frecuencias mltiplos de dicha frecuencia fundamental.

Cuando el transformador no est en vaco, la corriente de excitacin se superpone a las corrientes de lnea hacia las cargas, por lo que el efecto de distorsin en la forma de onda de la corriente total

puede ser mayor o menor dependiendo de la magnitud de la corriente de carga y de la distorsin que las propias cargas introducen en la forma de onda. Muchas veces, los efectos de las armnicas pueden despreciarse, puesto que la corriente de excitacin de un transformador de poder tpico es del orden del 5% de la corriente de plena carga. En consecuencia, los efectos de las armnicas normalmente desaparecen frente a la presencia de las corrientes sinusoidales que circulan a travs de los elementos lineales del circuito. Cobra relevancia entonces, la determinacin del contenido armnico de una forma de onda. Uno de los muchos ndices de calidad es el THD (total harmonic distorsion):

- 37 -


Donde P0 es la potencia de la componente fundamental y Pi con i> 0 es la potencia de la armnica i-sima que contiene la seal. Este valor debe ser muy pequeo para formas de onda que se suponen deben ser sinusoidales.

La aparicin de corrientes no sinusoidales origina, consecuentemente, la existencia de tensiones no sinusoidales en distintos puntos del sistema elctrico, los cuales finalmente pueden ocasionar la disminucin de la vida til de los equipos de potencia, y la disminucin de su eficiencia y desempeo, como por ejemplo, distorsin en la operacin de controles electrnicos, vibraciones y ruido en equipos electromagnticos, torques mecnicos pulsantes en mquinas rotatorias, operacin incorrecta de sistemas de proteccin, calentamiento y prdidas adicionales en mquinas, transformadores y condensadores, calentamiento de conductores, entre otras.

2.4 SISTEMA TRIFSICO

Un sistema trifsico de corrientes es el conjunto de tres conductores que transportan corrientes alternas monofsicas de igual frecuencia y amplitud, presentando un desfase entre ellas de unos 120 en el tiempo. Cada una de las corrientes monofsicas que forman el sistema se designa con el nombre de fase. En los sistemas elctricos, tpicamente las lneas de media y baja tensin de las redes de distribucin urbanas son trifsicas, mientras que el empalme domiciliario y las redes al interior del hogar son monofsicas.

Un sistema trifsico de tensiones se dice que es equilibrado cuando sus corrientes son iguales y estn desfasados simtricamente. Cuando alguna de las condiciones anteriores no se cumple, el sistema se dice desequilibrado o desbalanceado. En un sistema trifsico

equilibrado se cumple que la potencia trifsica total entregada a la carga trifsica, es igual a tres veces la potencia entregada a cada fase y carga monofsica (idnticas) vistas como un sistema monofsico, es decir:

Y tambin se cumple que:

Donde es la potencia aparente

trifsica total consumida por la carga monofsica, es el voltaje entre fases en la carga, su voltaje fase-neutro, la corriente por la delta de la carga (en caso de estar conectada en delta) e es la corriente de lnea entre el transformador y la carga trifsica, valores todos iguales para cada fase.

Un sistema trifsico presenta una serie de ventajas sobre los sistemas monofsicos alternos y sobre la corriente continua, como son la economa de sus lneas de transporte de energa, pues para alimentar una carga de igual potencia elctrica, las corrientes por los conductores son menores que las que se presentan en un sistema monofsico. Adems existe un elevado rendimiento en transformadores y motores trifsicos.

Debido a lo anterior, prcticamente toda la energa elctrica en el mundo es generada y transmitida por intermedio de lneas de transmisin trifsicas, y dems, suele ocurrir que sea necesario subir o bajar varias veces la tensin entre los generadores y las cargas.

- 38 -


2.5 TRANSFORMADOR TRIFSICO

2.5.1 INTRODUCCIN

La funcin bsica de los transformadores en circuitos trifsicos es cambiar el nivel de las tensiones (y corrientes) del sistema trifsico. Reciben energa a un cierto nivel de tensin y corriente, y la entregan a otro nivel de tensin y corriente, con pocas prdidas, y con posible introduccin de desfases entre las variables elctricas.

El principio de funcionamiento de un transformador trifsico es idntico al de un transformador monofsico. En el caso del transformador trifsico se puede considerar que existen tres pares de enrollados, dos por cada fase, donde cada par acta como un transformador monofsico, considerando, luego de ver el tipo de conexin y la polaridad, los desfases angulares introducidos por el transformador trifsico.

Los transformadores trifsicos se caracterizan mediante su potencia trifsica ( ) y su voltaje entre fases ( ), ms particularmente por la razn entre sus voltajes entre fase del primario y secundario, es decir, por la razn .

2.5.2 CONEXIONES DE UN TRANSFORMADOR TRIFSICO

Los transformadores en conexin trifsica pueden estar constituidos por bancos trifsicos de unidades monofsicas, sin uniones magnticas entre ellos, o bien por transformadores monofsicos propiamente tal, con un ncleo en el cual las tres fases estn interconectadas magnticamente. En cualquiera de los dos casos anteriores, se conecta cada primario a cada una de las fases del sistema de alimentacin de modo que en lo secundarios se obtenga el sistema trifsico a otro nivel de voltaje.

Ilustracin 2.9: Tipos de conexin de un transformador trifsico: (a) Conexin Y-Y. (b) Conexin Y-. (c) Conexin -Y. (d) Conexin -.

- 39 -


Los tres bornes primarios se pueden conectar entre cada fase y el neutro del sistema en la llamada conexin estrella (Y), o entre fases en la llamada conexin delta (). Del mismo modo los secundarios pueden entregar la potencia a la carga conectados ya sea en estrella o en delta. As, es posible tener cuatro tipos de conexin bsicos: YY, Y, Y y , donde el primer smbolo corresponde al tipo de conexin en el primario y el segundo al tipo de conexin en el secundario.

Estos cuatro tipos bsicos de conexin se muestran en la Ilustracin 2.9.

a) CONEXIN YY (ESTRELLA-ESTRELLA):

En esta conexin cada enrollado primario se conecta entre una de las fases y el neutro de la red dealimentacin. Del mismo modo, lossecundarios se conectan en Y dando origen a las tres fases y un neutro en comn. Lo anterior se muestra en la Ilustracin 2.9 (a). Para altas tensiones (mayores a 30 [kV]), la conexin YY es usualmente preferible desde el punto de vista econmico, sobre todo si la capacidad del transformador no es muy elevada. La tensin aplicada a cada enrollado es menor que la tensin entre fases de la lnea, mientras que la corriente por cada enrollado es igual a la corriente de lnea. Para las tensiones se cumple la ecuacin siguiente (para secuencia positiva):

Donde es el voltaje sobre cada

enrollado, y es el voltaje entre fases de la red. La preferencia de esta conexin se debe a que los enrollados deben soportar slo veces la tensin fase-fase, mientras que los niveles de corrientes de lnea (a tensiones altas) son relativamente bajos.

En comparacin con la conexin para igual servicio, a la conexin Y le corresponde una tensin ms baja por devanado y por consiguiente una corriente ms elevada. Esto involucra menor aislamiento y el empleo de secciones de conductor mayores, que dan rigidez a las bobinas y las protege mejor contra los esfuerzos mecnicos que se producen durante cortocircuitos.

El montaje en estrella permite adems tener el neutro accesible para la alimentacin de las redes de baja tensin, en servicios mixtos de luz y fuerza y, para la proteccin, por medio de la puesta a tierra en el lado de alta tensin.

b) CONEXIN (DELTA-DELTA):

Cada enrollado se conecta entre dos fases de la red de alimentacin en el primario. Mientras que en el secundario los secundarios tambin se conectan en formando tres fases sin neutro, tal como se muestra en la Ilustracin 2.9 (d).

Bajo esta conexin los voltajes aplicados a los enrollados son los voltajes fase-fase directamente, mientras que las corrientes por los enrollados son menores a las corrientes de lnea, cumplindose que:

Donde corresponde a la corriente por los enrollados e a la corriente de lnea. Como los enrollados deben soportar tensiones entre fases, esta conexin se emplea con tensiones bajas en primario y secundario (tpicamente menores a los 30 kV). En esas condiciones, las altas corrientes de lnea se ven reducidas en un factor igual a por lo que esta situacin resulta ser menos crtica para el calibre de los conductores.

- 40 -


c) CONEXIN Y (ESTRELLA-DELTA):

Esta conexin corresponde a una combinacin de las conexiones anteriores, como se muestra en la Ilustracin 2.9 (b). Junto con cambiar las razones de transformacin entre primario y secundario, esta conexin introduce un desfase de 30 entre los voltajes fase-fase de primario y secundario, y tambin un desfase similar entre las respectivas corrientes de lnea. La conexin Y se utiliza generalmente con la Y en alta tensin y la en baja tensin por las razones ya sealadas en las dos conexiones anteriores, es decir, es la configuracin usual de transformadores reductores de tensin.

d) CONEXIN Y (DELTA- ESTRELLA):

Esta conexin, que se muestra en la Ilustracin 2.9 (c) es anloga a la anterior, intercambiando primario y secundario. Se utiliza normalmente para elevar voltajes, es decir, en baja tensin e Y en alta tensin, sin embargo, una excepcin la constituyen los transformadores de distribucin (13 kV/380 V), los cuales utilizan conexin Y en lugar de ya que se requiere neutro secundario accesible en los consumos.

2.5.3 CONEXIN TPICA DE TRANSFORMADORES TRIFSICOS EN SISTEMAS ELCTRICOS DE POTENCIA

La Ilustracin 2.10 muestra la conexin tpica de los transformadores trifsicos en un sistema elctrico de potencia de acuerdo al nivel de tensin o la necesidad o no de neutro. Los generadores elctricos, en general entregan voltajes inferiores a 30 kV, por lo que se requieren transformadores elevadores Y para la transmisin a larga distancia. La elevacin de tensin se hace por tramos por lo que existen transformadores intermedios entre lneas de transmisin en conexin YY. Al llegar estas lneas a los centros de consumo, los voltajes deben reducirse a niveles propios de las lneas de distribucin en media tensin, por lo que se usan transformadores reductores Y formando la red de distribucin trifilar que se observa en los postes de media tensin. Finalmente, los ya mencionados transformadores de distribucin (Y, pues necesitan de neutro en el consumo) entregan la tensin que se distribuye en 4 lneas a los consumidores en 220V (fase-neutro).

Ilustracin 2.10: Conexin tpica de transformadores trifsicos en sistemas elctricos de potencia.

- 41 -


2.6 DISPOSITIVOS DE CONVERSIN ELECTROMECNICA

La conversin electromecnica de la energa comprende todos aquellos fenmenos relativos a la transformacin de energa elctrica en energa mecnica, y viceversa. Como ya se mencion anteriormente, un motor es un dispositivo que convierte energa elctrica en energa mecnica, mientras que un generador es aqul dispositivo que realiza el proceso inverso.

2.6.1 PRINCIPIO BSICO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ELCTRICO

El principio bsico de funcionamiento de cualquier motor elctrico es que un campo magntico es un campo de fuerzas tal que, si se ubica en l un segundo conductor (independiente del conductor que genera el campo) por el cual circula una corriente elctrica, ste queda sometido a una fuerza que, bajo ciertas condiciones, genera movimiento (energa mecnica).

Por ejemplo, en la Ilustracin 2.11 se muestra un motor formado por una espira

simple (de lado de largo ) y plana, a travs de la cual circula una corriente . La espira es libre de girar sobre su eje y est ubicada en un campo magntico uniforme. Los lados axiales de la espira quedan entonces sometidos a una fuerza igual a:

Esta fuerza redunda en un torque motriz sobre el eje que genera el movimiento.

2.6.2 PRINCIPIO BSICO DE FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR ELCTRICO

El principio bsico de funcionamiento de cualquier generador elctrico es la llamada Ley de Faraday-Lenz, la cual seala que en un conductor o circuito elctrico que enlaza un flujo magntico variable en el tiempo, se induce una fuerza electromotriz (f.e.m.) o tensin inducida

dada por:

Ilustracin 2.11: Motor elemental formado por una nica espira.

- 42 -


Esta tensin inducida har circular entonces una corriente por el circuito en cuestin. La variacin de en el tiempo, puede producirse por una corriente variable en el tiempo (como ocurre en los transformadores) o por una variacin en la geometra del sistema (como ocurre en los generadores donde la geometra vara de acuerdo al movimiento proporcionado mecnicamente). Por ejemplo, una espira sometida a un campo magntico constante

cuyo eje se encuentra velocidad angular , como se muestra en la Ilustracin 2.12, enlaza un flujo de la forma:

Por lo que, de acuerdo a la Ley de Faraday-Lenz se producir, en sus terminales, una tensin inducida igual a:

Es decir, el dispositivo anterior corresponde a un generador de corriente alterna de frecuencia elctrica .

2.7 MQUINA DE CORRIENTE CONTINUA

2.7.1 INTRODUCCIN

La mquina de corriente continua fue la primera de las mquinas rotatorias en ser desarrollada y no obstante las mejoras que han sido desarrolladas en su diseo, sigue siendo constructivamente ms compleja que las mquinas de corriente alterna, pues necesita de una unin elctrica entre rotor y estator, lo que la

hace comparativamente menos robusta, requiere mayor mantenimiento y a la vez tiene un mayor volumen y peso por unidad de potencia.

A pesar de lo anterior, esta mquina tiene mltiple aplicaciones, especialmente como motor, debido principalmente a: Amplio rango de velocidades,

ajustables y controlables con alta precisin.

Caracterstica de torque-velocidad variable o constante.

Rpida aceleracin, desaceleracin y cambio de sentido de giro.

Posibilidad de frenado regenerativo (generacin de energa elctrica al frenar un motor).

Ilustracin 2.12: Generador elemental formado por una nica espira.

- 43 -


Ilustracin 2.13: Estator de la mquina de corrien-te continua.

Ilustracin 2.14: Rotor de la mquina de corriente continua.

2.7.2 CARACTERSTICAS CONSTRUCTIVAS

La mquina de corriente continua est formada principalmente de dos partes, el estator y el rotor, ms las conexiones entre las mismas:

El estator es la parte fija de la mquina. Puede estar formado por un ncleo macizo o laminado. El flujo necesario en el entrehierro se logra distribuir en forma uniforme mediante los denominados polos, en los cuales se ubica el enrollado de campo o excitacin de la mquina. El estator de la mquina de corriente continua se muestra en la Ilustracin 2.13.

Muchas mquinas de corriente continua permiten conectar el campo ya sea en paralelo o en serie con la armadura, distinguindose entonces los enrollados serie y paralelo. El enrollado de campo paralelo (o shunt) es siempre un enrollado de muchas vueltas y poco calibre, ya que soporta, en general, una corriente pequea y se conecta a la tensin de la mquina. Por el contrario, el enrollado de campo serie, est hecho con pocas vueltas de alambre de grueso calibre, ya que debe conducir

toda o una fraccin no despreciable de la corriente de armadura.

Tambin forman parte del estator, las escobillas o carbones, que son dispositivos que se encargan de tomar o transmitir la corriente en forma continua entre el rotor y el estator. Su contacto elctrico con el rotor se realiza a travs de las delgas del mismo. Finalmente, la estructura soportante se denomina carcasa y es donde se ubica el sistema de lubricacin y la placa con los terminales de conexin

Por otro lado, el rotor est formado por un ncleo de fierro laminado para evitar prdidas por corrientes parsitas y de Foucault. El enrollado del rotor (armadura) est formado por bobinas que se ubican en ranuras del rotor en torno al ncleo. Los terminales de las bobinas se conectan a las delgas, que en su conjunto forman el colector, donde hacen contacto rozante las escobillas o carbones, fijas al estator, permitiendo as la entrada o salida de corriente al enrollado de armadura.

- 44 -


2.7.3 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA

Ya se vio, en la Ilustracin 2.12 la forma en que una espira plana se transforma en un generador elctrico alterno. Ahora, si se desea obtener un voltaje rectificado continuo en la salida de la mquina, se debe emplear un sistema que permita conectar

la carga elctrica al voltaje inducido para

un rango de y al inverso del

voltaje inducido para . Lo anterior se consigue mediante un sistema conmutador, donde el voltaje de la carga se obtiene mediante un par de contactos (escobillas) fijos al estator, que se deslizan sobre los terminales de las bobinas del rotor (delgas), tal como se muestra en la Ilustracin 2.15.

Ilustracin 2.15: Proceso de rectificacin entre colector y escobillas.

Ilustracin 2.16: Voltaje en las escobillas para el caso de una bobina y dos delgas.

De esta forma, el voltaje en los terminales de las escobillas es el requerido, es decir:

para

para

Se debe destacar que los ngulos corresponden a los ngulos

donde se produce la conmutacin, es decir, donde se produce el paso de escobillas de una delga a la siguiente, para una misma bobina. La forma del voltaje en los terminales de las escobillas ser:

- 45 -


Ilustracin 2.17: Voltaje en las escobillas para el caso de dos bobinas y cuatro delgas.

Se puede conseguir un voltaje ms cercano a un voltaje continuo ideal si se agregan ms delgas. Por ejemplo, si se usan dos bobinas ortogonales, con 4 delgas, el voltaje ser:

Si se sigue aumentando el nmero de delgas y bobinas, se lograr un voltaje prcticamente continuo en los terminales de las escobillas, dado por:

Se observa que es proporcional al flujo mximo enlazado por las bobinas

y al nmero de vueltas de los enrollados de estator y rotor.

2.7.4 GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA Y ERNC

Debido a las complejidades constructivas y de mantenimiento que presentan las mquinas de corriente continua, relacionadas principalmente con el proceso de conmutacin que se requiere para rectificar la forma de onda de la tensin de salida de las mismas, stas han sido desplazadas en la generacin elctrica por las mquinas de corriente alterna. An se mantienen en operacin en ciertas operaciones como motor, por las ventajas ya sealadas, sin embargo tambin en este modo de operacin han sido reemplazadas por mquinas sincrnicas o asncronas.

La aplicacin ms importante del generador de corriente continua en la actualidad es para alimentar con energa elctrica a los motores de corriente

continua, ya que es capaz de producir formas de onda continuas de tensin y corriente libres de rizado y con un valor fijo y preciso. Esto se traduce en corriente continua que permite una buena conmutacin en el motor, careciendo del contenido armnico que introducen los sistemas rectificadores. Sin embargo, con los avances en los dispositivos de electrnica de potencia, as como la utilizacin de filtros que permiten depurar las formas de onda sinusoidales, nuevamente las mquinas de corriente alterna se constituyen en ventajosas con respecto a las de corriente continua, principalmente desde el punto de vista econmico y tcnico.

En cuanto a las ERNC, el generador de corriente continua tiene la ventaja de no tener que sincronizar una frecuencia de salida en sus bornes con la frecuencia de la red, sino que se puede utilizar un equipo inversor para conectarlo a la red y de esta manera hacer un mejor uso de los recursos renovables intermitentes para generar energa, sin embargo, lo mismo

- 46 -


se puede conseguir con un generador en corriente alterna (sncrono o asncrono) y un sistema rectificador/inversor que desacople las frecuencias, por lo que actualmente la principal aplicacin de los generadores de corriente continua slo se limita a generadores elicos muy pequeos que pueden suministrar, junto a bancos de bateras y, eventualmente, paneles fotovoltaicos, redes de consumo en corriente continua, principalmente en locaciones remotas, como lo pueden constituir sistemas de telecomunicaciones, equipos meteorolgicos, entre otros.

2.8 MQUINA DE INDUCCIN2.8.1 INTRODUCCIN

Las mquinas de induccin o asincrnicas trifsicas, y en particular, los motores de rotor tipo jaula de ardilla, son en la actualidad las mquinas elctricas de mayor aplicacin industrial. La operacin usual de esta mquina es como motor, en cuyo caso el funcionamiento bsico consiste en alimentar el enrollado trifsico de estator desde una fuente trifsica para producir un campo magntico rotatorio. Este campo rotatorio induce corrientes en el enrollado cortocircuitado del rotor producindose as un torque motriz en el eje de la mquina. En aplicaciones ligadas sobre todo a la generacin elica, la mquina tambin se opera frecuentemente como generador.

2.8.2 CARACTERSTICAS CONSTRUCTIVAS

En las mquinas de induccin circulan corrientes alternas en el estator y en el rotor. El enrollado del estator es trifsico y de dos o ms polos. El enrollado del rotor no tiene alimentacin propia y puede ser del tipo bobinado o del tipo jaula de ardilla.

El estator de una mquina de induccin est compuesto por un ncleo laminado de acero (que permite reducir las prdidas por corrientes alternas parsitas que se inducen en l), el cual tiene ranuras axiales donde se alojan los enrollados debidamente aislados.

El ncleo del rotor tambin est compuesto por lminas de acero. El enrollado del rotor puede ser de dos tipos:

Rotor tipo Jaula de Ardilla: Consiste en una serie de barras axiales de aluminio o cobre (alojadas en las ranuras del rotor) cortocircuitadas en sus extremos por dos anillos conductores. La gran simplicidad en el diseo de este rotor es la que le otorga a la mquina de induccin las ventajas de diseo compacto, costo y mantencin.

Rotor tipo Embobinado: Es ms complejo que el anterior. Los enrollados son similares a los del estator

Ilustracin 2.18: Rotor tipo jaula de ardilla.

- 47 -


Ilustracin 2.19: Motor de induccin de dos polos.

y conservan el mismo nmero de polos. Los terminales libres de las bobinas estn conectados a anillos rozantes montados sobre el eje de la mquina. La placa de terminales se conecta con los anillos mediante escobillas o carbones. En general se pierden los atributos de simplicidad y mantencin respecto de la mquina con rotor jaula de ardilla.

2.8.3 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Un estator con tres enrollados idnticos, ubicados fsicamente a 120 y alimentados con voltaje trifsico equilibrado, origina un campo magntico rotatorio de magnitud constante el cual gira a una cierta velocidad ( ) constante. Cada uno de los enrollados origina un flujo cuya magnitud vara sinusoidalmente en el tiempo y cuya direccin principal, coincide con el eje del enrollado. De este modo se genera, para cada fase, una fuerza magnetomotriz en el estator ( ) que, de acuerdo con la ley de Ampere, est dada por:

En la Ilustracin 2.19 se ejemplifica este

fenmeno para la Fase a. Las expresiones

para las fuerzas generadas por cada fase, en un punto cualquiera del entrehierro, resultan ser:

Donde es el ngulo que determina

la posicin donde se calculan las fuerzas magnetomotrices.

Adems considerando que las corrientes son:

Donde la frecuencia elctrica de alimentacin es:

La fuerza magnetomotriz total correspondiente a la suma de las fuerzas generadas por las fases a, b y c resulta ser:

- 48 -


VARIACIN DE VELOCIDAD DE LA MQUINA DE INDUCCINPara variar la velocidad del motor de induccin puede cambiarse la velocidad sncrona de ste, o bien variar el deslizamiento de la mquina. En el primer caso (cambiar la velocidad sncrona) se puede cambiar el nmero de polos de la mquinao bien cambiar la frecuencia de la red elctrica que enfrenta el motor, incluyendo un Variador de Frecuencia entre la red y la mquina. Por otro lado, si lo que se desea es cambiar el deslizamiento se puede variar la tensin de la lnea o las resistencias en el rotor, con lo cual se logra modificar la forma de la curva torque-velocidad y consecuentemente, como el punto de operacin viene fijo por la interseccin de esta curva con la caracterstica de torque de la carga, se opera a una velocidad distinta modificando el deslizamiento con respecto a la velocidad sincrnica.

Entonces es posible ver que la fuerza magnetomotriz producida por el estator es una onda viajera que se mueve a velocidad constante ( ) y cuya magnitud vara sinusoidalmente en cada punto del entrehierro. La ecuacin anterior indica que cuando se tiene un nico par de polos, se tiene que la velocidad sncrona del campo magntico del estator (representado a travs de la fuerza ) coincide con la frecuencia de alimentacin de la red elctrica trifsica, es decir:

Sin embargo, al aumentar el nmero de polos, el aporte que realiza cada fase al campo magntico rotatorio corresponde a la suma de los aportes de cada par de polos. Se obtiene finalmente que la velocidad sncrona, en el caso general, es:

Donde es el nmero de polos de la mquina y es la frecuencia de la red.

Si el rotor gira en el mismo sentido del campo rotatorio del estator, con una velocidad , necesariamente debe ser diferente de para que circulen corrientes rotricas y se produzca torque.

Luego, el rotor atrasar en al campo rotatorio del estator, definindose como deslizamiento del rotor este atraso referido a :

Y por lo tanto:

Adems, dado que la velocidad del campo magntico del estator respecto del

rotor es , la frecuencia de las corrientes rotricas inducidas ser:

Al estar detenida la mquina , el deslizamiento vale . La frecuencia del rotor vale . Una vez en marcha, la mquina alcanzar una velocidad levemente inferior a la sncrona.

Funcionando como motor, la mquina no alcanzar nunca la velocidad sncrona, ya que en ese caso no habra corte de lneas de flujo por las barras del rotor, por lo que no se inducen voltajes ni corrientes rotricas y el torque ejercido sera nulo.

Al rotar la mquina con velocidad en el mismo sentido del campo se inducirn corrientes de frecuencias en el rotor, las que a su vez producirn un campo que girar a con respecto al rotor.

- 49 -


Como el motor gira con una velocidad de , la velocidad del campo rotrico

en el espacio ser la suma de ambas (la velocidad relativa y la de arrastre):

De esto se desprende que tanto el campo del estator como el del rotor giran a velocidad sncrona y estn fijos uno respecto del otro, producindose de esta manera un torque continuo en la mquina.

2.8.4 CARACTERSTICA TORQUE VELOCIDAD

La curva caracterstica torque velocidad para el torque electromecnico en el eje a partir del deslizamiento, que se obtiene a partir de las relaciones electromecnicas para la mquina de induccin, es la que se muestra en la Ilustracin 2.20.

La mquina funciona como motor cuando y como generador cuando

. Por otro lado, cuando , la mquina est rotando en sentido contrario al campo rotatorio, funcionando como freno elctrico. Se debe notar que como la mquina parte siempre detenida, su operacin inicial siempre ser como motor y se debe llevar a la mquina, mediante un sistema motriz externo a operar como generador, es decir, a velocidades levemente mayores a la sincrnica.

El torque mximo de la mquina de induccin no depende de la resistencia del rotor . Sin embargo, el deslizamiento al cual se produce dicho torque s depende de dicho valor, por lo que es posible controlar la velocidad a la que se produce el valor mximo del torque mediante la resistencia rotrica, tal como se presenta en la Ilustracin 2.21.

Ilustracin 2.20: Curva Torque-Velocidad de la Mquina de Induccin.

- 50 -


Ilustracin 2.21: Curva Torque-Velocidad en funcin de rr de la Mquina de Induccin.

MTODOS DE PARTIDA DE MQUINAS DE INDUCCINSe pueden considerar dos mecanismos bsicos para realizar el control en la partida de la mquina de induccin:Partida con Resistencias Rotricas Adicionales: Los motores de rotor bobinado se hacen partir con resistencias adicionales en el circuito del rotor. Con ello se logra que el torque mximo ocurra aproximadamente en la partida de la mquina, al mismo tiempo que se limita la corriente mxima de partida a valores seguros.Partida con Tensin Reducida: En motores con jaula de ardilla o con rotor bobinado, se puede recurrir al mtodo de reducir el voltaje a la partida, reducindose con esto la corriente de partida y disminuyendo tambin el torque (el cual vara con el cuadrado del voltaje). Actualmente, para esto se utilizan comandos y protecciones electrnicas, usndose un equipo llamado Partidor Suave, el cual se encarga que el motor consuma, durante la partida, menor corriente, reduciendo el voltaje con respecto a la condicin normal, con lo cual se reduce tambin el torque. De ah el voltaje, y con ello el torque, van aumentando paulatinamente a medida que la mquina llega a su rgimen permanente.

De este modo, una resistencia rotrica alta permite acercar el torque mximo a la partida, lo cual representa una ventaja en aplicaciones donde se debe vencer una gran inercia inicial. Adems, la variacin de la resistencia rotrica tambin permite controlar el valor de la corriente de partida, la cual suele ser entre 5 a 7 veces la corriente nominal.

As, el aumento de la resistencia del rotor no slo mejora la magnitud del torque de partida, sino que adems permite limitar la corriente de partida que normalmente, debido a su alto valor, es daina para el motor.

2.8.5 OPERACIN DEL GENERADOR DE INDUCCIN

Se desprende de las frmulas de torque y potencia que para un deslizamiento del motor de induccin entre cero y uno ( y respectivamente) la potencia y el torque resultan positivos, indicando un funcionamiento como motor. Para un deslizamiento negativo (velocidad del rotor superior a la sncrona) resultan tanto el torque como la potencia de valor negativo, lo que significa que la mquina acta como generador.

En este caso el rotor gira a una velocidad superior que la del campo rotatorio del

- 51 -


estator. Este campo rotatorio se produce debido a la corriente de magnetizacin que circula desde la red de alimentacin y que debe seguir circulando, an despus que la mquina haya sobrepasado la velocidad sncrona, convirtindose en un generador de induccin. Esta corriente de magnetizacin o excitacin debe provenir de una fuente externa, no siendo capaz el generador de autoexcitarse independientemente. Si esta fuente externa se desconecta, la corriente de excitacin se hace cero, desapareciendo el flujo de entrehierro y el voltaje, entonces la mquina deja de generar. Lo anterior implica que un generador de induccin siempre debe absorber reactivos (potencia reactiva) desde la red elctrica, presentando en todos los casos un factor de potencia inductivo (lo cual le da el nombre) a diferencia de lo que se ver luego para los generadores sincrnicos.

2.8.6 GENERADOR DE INDUCCIN Y ERNC

La principal ventaja de los generadores de induccin es su simpleza constructiva (en el caso de rotor tipo jaula de ardilla), lo que se traduce en menores costos de inversin y de mantenimiento con respecto a otros tipos de generadores. Por otro lado, estos generadores no necesitan de alimentacin en corriente continua para el campo.

Lo anterior hace que estos generadores sean los ms comunes en generacin elica, principalmente en el rango que va entre los 20 kW hasta varios MW de capacidad. Tambin pueden utilizarse en aplicaciones hidroelctricas, pero en stas es an notable el predominio de los generadores sincrnicos.

Para conectar un generador de induccin a la red y permitirle operar con recursos energticos primarios

intermitentes, como el viento, o los recursos hdricos, se debe tener especial cuidado en mantener la sincronizacin de la frecuencia de las variables de salida del generador y de la red elctrica o los consumos. Lo anterior se traduce en la necesidad comn de desacoplar estas frecuencias mediante la inclusin de un sistema rectificador-inversor para conectarse a la red.

La principal desventaja de estos generadores es que requieren una fuente externa de reactivos, por lo que en sistemas aislados deben funcionar simultneamente con un generador sincrnico o estar acoplados a condensadores en paralelo con sus terminales. En sistemas aislados, necesitan tambin de una fuente que fije la frecuencia del sistema (generador Diesel o inversor), aunque tambin pueden incorporar un grupo rectificador-inversor permitindoles operar a velocidad variable. Dicho grupo ajusta la tensin y frecuencia que llega a los consumos, evitando transitorios indeseados.

2.9 MQUINA SINCRNICA2.9.1 INTRODUCCIN

Las mquinas sincrnicas son mquinas de corriente alterna que se caracterizan por tener una velocidad del eje dependiente directamente con la frecuencia de las variables elctricas. Pueden ser monofsicas o polifsicas, y preferentemente trifsicas. En trminos prcticos, las mquinas sncronas tienen su mayor aplicacin a altas potencia, particularmente como generadores ya sea a bajas revoluciones en centrales hidroelctricas, o bien a altas revoluciones en turbinas de vapor o gas. La mquina sincrnica como generador se usa prcticamente en toda central generadora.

Cuando la mquina se encuentra conectada a la red, la velocidad de su eje depende directamente de la frecuencia de

- 52 -


las variables elctricas (voltaje y corriente) y del nmero de polos. Este hecho da origen a su nombre, ya que se dice que la mquina opera en sincronismo con la red.

Por otro lado, en la operacin como generador aislado de la red, la frecuencia de las corrientes generadas depende directamente de la velocidad mecnica del eje.

Adicionalmente a la operacin como motor y generador, el control sobre la alimentacin del rotor hace que la mquina sncrona pueda operar ya sea absorbiendo o inyectando reactivos a la red en cuyo caso se conocen como reactor o condensador sncrono respectivamente. Particularmente esta ltima aplicacin es utilizada para mejorar el factor de potencia del sistema elctrico el cual tiende a ser inductivo debido a las caractersticas tpicas de los consumos.

2.9.2 ASPECTOS CONSTRUCTIVOS

Esta mquina, como las anteriores, se encuentra formada por dos partes principales, una parte mvil o rotor, y una parte fija o estator. En estas mquinas el estator se encuentra alimentado por corriente alterna, en tanto el rotor tiene alimentacin continua ya sea a travs de un enrollado de campo o bien mediante imanes permanentes.

El estator est compuesto por un ncleo laminado de acero, el cual tiene ranuras axiales donde se alojan los enrollados debidamente aislados, mientras que, por otro lado, el rotor puede estar conformado por:

Rotor de Imanes permanentes. Rotor de polos salientes. Rotor cilndrico.

Los rotores de imanes permanentes (PMSG, Permanent Magnets Synchronous Generator) representan la configuracin ms simple ya que evita el uso de anillos rozantes para alimentar el rotor, sin embargo su aplicacin a altas potencias se encuentra limitada ya que las densidades de flujo magntico de los imanes no es, por lo general, alta. Adicionalmente, los imanes permanentes crean un campo magntico fijo no controlable a diferencia de los rotores con enrollados de excitacin donde se puede controlar la densidad de flujo magntico.

Dentro de los rotores con enrollados de excitacin se tienen los de tipo cilndrico y los de polos salientes. Generadores con rotor cilndrico se emplean en conjunto con turbinas a gas o de vapor de gran velocidad de funcionamiento; en cambio, turbinas hidrulicas o motores de combustin impulsan generalmente generadores con rotor de polos salientes. Ambos tipos se muestran en la Ilustracin 2.23.

Ilustracin 2.23: Partes de una mquina sincrnica: a) Estator, b) Rotor de Polos Salientes, c) Rotor Cilndrico.

- 53 -


2.9.3 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR SINCRNICO

En la Ilustracin 2.24 se muestra un generador sincrnico monofsico. El rotor del generador consiste en un imn permanente que genera un campo magntico constante y se encuentra rotando (gracias a una mquina impulsora externa) a una velocidad angular .

El giro del eje del rotor hace que el flujo enlazado por la bobina del estator sea variable de modo que se induce una tensin debido a esta variacin (Ley de Faraday-Lenz). La tensin generada en los terminales del estator es:

Donde: es una constante de diseo de la mquina. es la densidad de flujo magntico generada por el rotor. es la velocidad mecnica del rotor.

De acuerdo con la ecuacin anterior,

la mquina corresponde a un generador de voltaje alterno sinusoidal, cuya frecuencia elctrica es igual a la velocidad mecnica de giro del rotor

. Por esta razn se denomina

generador sincrnico, y corresponde a la velocidad de sincronismo.Se observa adems, que la magnitud de la tensin generada es proporcional a la densidad de flujo magntico. De este modo, si en lugar de un imn permanente se coloca un enrollado de excitacin en el rotor, es posible controlar el valor mximo del voltaje inducido a travs de la alimentacin del mismo en corriente continua.

El caso anterior corresponde a un generador con dos polos. En el caso de un generador con un mayor nmero de polos, la frecuencia elctrica generada ser equivalente a:

Donde: es la frecuencia elctrica de la tensin generada. es la velocidad de giro del eje en revoluciones por minuto [rpm] (velocidad sincrnica). es el nmero de polos del generador.

La mquina descrita anteriormente es un generador sincrnico monofsico, de velocidad sincrnica . Sin embargo, resulta fcil entender que si se ubican bobinas de estator desplazadas en el espacio, los voltajes que se generan

Ilustracin 2.24: Generador sincrnico monofsico.

- 54 -


Ilustracin 2.25: Generador sincrnico trifsico.

resultarn desfasados en el tiempo. En particular, si se emplean 3 enrollados desplazados en el espacio en 120 elctricos, donde se debe considerar la relacin:

Donde es el nmero de polos, se tiene un generador sincrnico trifsico.

En la Ilustracin 2.25 se muestra un esquema de lo explicado anteriormente. Se observa entonces, que las tensiones en cada una de las fases son iguales en magnitud, y desfasadas en 120 en el tiempo. Al igual que en el caso monofsico, la frecuencia de los voltajes generados est relacionada con la velocidad mecnica del eje mediante la misma ecuacin que antes. Esta relacin directa entre y obliga a emplear controles apropiados para mantener la velocidad mecnica constante, si se desea que la frecuencia del voltaje generado no vare.

2.9.4 POTENCIA DE LA MQUINA SINCRNICA

Se define como la reactancia sincrnica del generador de rotor cilndrico (para el generador de polos salientes es necesario definir dos reactancias en cuadratura). Si es la corriente real por fase del estator, es el voltaje por fase de los enrollados reales de estator, es el voltaje en vaco por fase, que depende proporcionalmente (en la zona lineal) de la corriente del rotor y de la velocidad(

es la resistencia sincrnica), se cumplen las relaciones siguientes:

(Generador)

(Motor)

De esta forma, en este caso es posible definir un circuito equivalente por fase para el generador sincrnico, el cual se muestra en la Ilustracin 2.26 (en general se puede despreciar con respecto a ).

- 55 -


Ilustracin 2.26: Circuito equivalente monofsico del generador sincrnico de rotor cilndrico.

Las expresiones que definen las potencias activa y reactiva trifsicas en los terminales de la mquina sincrnica de rotor cilndrico, cuando se desprecia son:

Donde y son el voltaje en los

terminales y en vaco (respectivamente) que se extraen del circuito equivalente por fase mostrado anteriormente, es decir,

son voltajes entre fase y neutro, y es el ngulo en que adelanta a , que para el caso de un generador es siempre positivo, mientras que para el caso de un motor es siempre negativo, lo cual implica que el generador tenga siempre

positivo y el motor recibe desde la red (es negativa).En cambio puede ser positivo o negativo dependiendo del valor que tome la corriente de excitacin, ya sea trabajando como generador o como motor.

2.9.5 RGIMEN DE OPERACIN DE LA MQUINA SINCRNICA

En la Ilustracin 2.27 se muestra la operacin de una mquina sncrona en los cuatro cuadrantes de un diagrama P-Q. En el diagrama se considera la potencia activa positiva cuando sta es suministrada por la mquina hacia la carga (o la red), con lo cual los cuadrantes I y IV corresponden a la mquina operando como generador y los cuadrantes II y III a la mquina operando como motor. En el caso de la potencia reactiva, sta es positiva si se est inyectando a la carga (o a la red), lo cual se consigue en los cuadrantes I y II, mientras que en los cuadrantes III y IV la mquina absorbe reactivos desde la red.

Ilustracin 2.27: Operacin de la mquina sincrnica en el diagrama PQ.

- 56 -


Los puntos de operacin marcados en el diagrama anterior son los siguientes:

2.9.6 OPERACIN DEL GENERADOR SINCRNICO ACOPLADO A LA RED

La red elctrica se puede considerar como una barra infinita. Una barra infinita es un sistema elctrico tan grande que para todos los efectos es equivalente a un generador sncrono de inercia infinita. Con el fin de lograr una mejor representacin de las ideas, conviene considerar como barra infinita, a un punto donde hay una mquina sincrnica de dimensiones mucho ms grandes (en cuanto a potencia generada) que la mquina sincrnica conectada a la barra, cuyo comportamiento se desea estudiar.

De esta forma, una barra infinita es una barra de un sistema elctrico donde la tensin (mdulo y ngulo) y la frecuencia se mantienen constantes para cualquier condicin de carga del sistema. Luego, una mquina sincrnica conectada a una barra infinita que tiene tanto la frecuencia, como la tensin en sus bornes, fija por la red y no varan ante cambios en la potencia entregada o absorbida por la mquina. Es decir, se cumple que:

En esta condicin de mquina

conectada a la red, se tiene que la potencia mecnica aplicada al eje no variar la velocidad del rotor ya que, como se indic,

la frecuencia de las variables elctricas generadas se encuentra fija por la red, lo cual implica directamente que la velocidad de giro del motor tambin se encuentra fija en la velocidad sncrona. De esta forma, una variacin en la potencia aplicada en el eje (potencia mecnica de entrada al generador sincrnico) se transformar en potencia elctrica que se entrega o se recibe desde la red. Cabe sealar que la variacin en la potencia mecnica, para este tipo de mquinas, es anlogo a decir una variacin en el torque, por cuanto se sabe que ambas variables se relacionan, a travs de la velocidad sncrona (mecnica), segn:

Y como la velocidad de giro se encuentra fija por la red, la variacin de uno u otro parmetro resulta completamente anloga. De todo lo anterior se puede decir que la potencia activa que puede entregar en bornes el generador (o recibir el motor) depende prcticamente de la potencia mecnica que se le proporciona a ste por el eje. Se debe notar que segn las frmulas mostradas anteriormente tambin existe una pequea variacin de la potencia activa con la corriente de excitacin (reflejada a travs del cambio en la tensin interna ), pero sin embargo, este efecto es despreciable frente a las variaciones ya sealadas de potencia en el eje.

- 57 -


Por otra parte, el factor de potencia, con que la red va a recibir la potencia mecnica (transformada en elctrica) aplicada al eje (o a entregarla, para el caso de un motor) va a depender de la corriente de excitacin de la mquina. De este modo, si la corriente de excitacin es baja (la mquina se encuentra subexcitada) la tensin inducida ser baja y por lo tanto, el generador necesitar consumir reactivos para operar a cierta potencia. Contrariamente, si el generador est sobreexcitado se entregarn reactivos a la red. En medio de estas dos condiciones de operacin es factible hacer funcionar la mquina con factor de potencia unitario, todo mediante el control de la corriente de excitacin de la mquina sincrnica. As, se dice, que se puede controlar la potencia reactiva en los terminales de la mquina actuando sobre la corriente de excitacin o rotor, lo que ya se vio, es imposible de realizar en generadores de induccin, donde se requiere de la compensacin externa de reactivos (mediante bancos de

condensadores o generadores sincrnicos) para llevar el sistema a factores de potencia deseados.

La sincronizacin se refiere al proceso mediante el cual se conecta una mquina sincrnica con la red. Para realizar esta conexin se deben cumplir las siguientes condiciones:

1.- Su velocidad de giro debe ser tal que la frecuencia del voltaje generado igual a las frecuencias del voltaje de la red.2.- El voltaje generado en bornes es igual en magnitud al voltaje de la red.3.- Los voltajes generados en la fase del mismo nombre en el generador y en la red, estn en fase. Esto implica que el generador tenga la misma secuencia que la red y que no existan desfases temporales.

En la Ilustracin 2.37 se observa que al cerrar el interruptor, el generador G queda en paralelo con la red.

Un frecuencmetro permite controlar la condicin (1), un voltmetro la condicin (2) y un secuencmetro comprueba que la secuencia a uno y otro lado del interruptor sea la misma. Sin embargo, puede subsistir un desfase entre los voltajes de las fases correspondientes, lo que da origen a un voltaje entre dichas fases. Comprobada entonces la secuencia a ambos lados del interruptor, hay que llevar los voltajes de las fases correspondientes al mismo valor con la misma frecuencia y con desfase cero

entre ellos. Es necesario, entonces, tener un indicador que no slo verifique el voltaje y la frecuencia a uno y otro lado, sino tambin el desfase entre fases correspondientes, de modo que cuando el desfase sea nulo se pueda cerrar el interruptor, completando la operacin de puesta en paralelo. Hay dispositivos que sincronizan en forma automtica, comandando el cierre del interruptor en el momento oportuno, es decir, cuando las condiciones anteriores se satisfacen.

Ilustracin 2.37: Conexin en paralelo de un generador con la red (sincronizacin).

- 58 -


En el caso particular de la mquina sncrona operando como generador (su configuracin ms ampliamente utilizada),

es posible establecer un diagrama de operacin prctico como el que se muestra a continuacin.

En la figura, el rea en amarillo corresponde a la zona donde el generador es factible de ser operado, los lmites estn dados por condiciones prcticas tales como:

Mximo ngulo entre las Fuerzas Magnetomotrices: el lmite terico es 90, sin embargo en la prctica se opera con ngulos menores ya que se debe garantizar la estabilidad en la operacin (si el ngulo llegase a sobrepasar los 90 la mquina se sale de sincronismo y se acelera peligrosamente).

Potencia Activa Mxima: corresponde al lmite de potencia activa que es capaz de entregar la mquina operando en condiciones nominales.

Tensin Generada Mnima y Mxima: el generador requiere una excitacin mnima en el rotor para poder generar tensin y puede generar hasta un lmite prctico dado por la mxima corriente rotrica de la mquina.

Mxima Corriente de Estator (Armadura): corresponde al lmite

de corriente que puede circular por la armadura en condiciones nominales. Exceder este lmite perjudica la vida til de la mquina debido al calentamiento y posible fallas en aislaciones de la mquina.

2.9.7 GENERADOR SINCRNICO Y ERNC

Los generadores sncronos deben operar a velocidad fija para tener frecuencia constante en bornes por lo que, en el caso de ERNC, no pueden alimentar directamente a los consumos ya que slo se podra conectar el generador cuando el energtico primario (velocidad del viento, caudal hdrico) hiciera girar al rotor a una velocidad que coincidiera perfectamente con su velocidad sncrona, lo cual pierde sentido al tratarse de energticos intermitentes y variables. Debido a esto, la utilizacin tpica de estos generadores incorpora un grupo rectificador-inversor que permite obtener tensin y corriente de la frecuencia deseada.

Una ventaja de los generadores sincrnicos es que pueden generar potencia reactiva, por lo que no requieren

Ilustracin 2.38: Carta de operacin de un generador sincrnico conectado a la red.

- 59 -


de otra fuente energtica en paralelo. Esto los hace tiles para su operacin en sistemas aislados y, si a ello se suma el reemplazo del enrollado de campo por imanes permanentes, eliminando la necesidad de alimentacin en corriente continua para el campo del rotor, se llega a una configuracin simple y de bajo costo, que explica que sean los ms utilizados en la actualidad para generadores elicos menores a 20 kW. Del mismo modo, la posibilidad de entregar energa reactiva a

la red los transforma en los generadores ms utilizados en toda generacin elctrica convencional, y tambin en las aplicaciones mini-hidroelctricas y basadas en la biomasa.

Para dejar ms explcita las principales diferencias en el uso de generadores sncronos y asncronos en los sistemas de potencia, as como su relacin con las ERNC se presenta la siguiente tabla comparativa:

Ilustracin 2.2: Ventajas y desventajas de los generadores sincrnicos y de Induccin

- 60 -


2.10 BIBLIOGRAFA1. L. Vargas, J. Romo, Y. del Valle, Conversin Electromecnica de la Energa, Captulos 2

al 7, Santiago, Chile, 2003.2. G.M. Masters, Renewable and Efficient Electric Power Systems, Captulos 6 al 9,

Primera Edicin ed. Nueva Jersey, Estados Unidos: John Wiley & Sons, 2004.3. B. Sorensen, Renewable Energy Conversion, Transmission and Storage, Captulo 14,

Primera Edicin ed. San Diego, California, Estados Unidos: Academic Press, 2007.4. S. Misak y L. Prokop, Off-Grid Power Systems, en 9th International Conference on

Environment and Electrical Engineering (EEEIC), Praga, Repblica Checa, 2010, pp. 14-17.5. Mukund R. Patel, Wind and Solar Power Systems, Captulos 1 al 4, Primera Edicin ed.

Nueva York, Estados Unidos: CRC Press, 1999.6. L. Vargas, Apunte de Electromagnetismo, Captulo 7, Santiago, Chile, 2008.7. W. Brokering, R. Palma, L. Vargas, om Lufke (El Rayo Domado) o Sistemas Elctricos

de Potencia, Captulos 4 al 5, Primera Edicin ed. Santiago, Chile: Pearson, 2008.

- 61 -


2.11 ANEXO AL CAPTULO 2

EXPERIENCIA DE LABORATORIO

Para el mejor aprendizaje de este captulo se propone realizar la experiencia de laboratorio.

Objetivos: Estudiar el funcionamiento de una mquina sincrnica, de induccin y continua. Analizar su operacin como generador o motor. Sincronizar el generador sincrnico con la red.

Instalacin: Se cuenta con un motor de induccin desarmable con diferentes rotores y un acoplamiento entre generador sincrnico y motor continuo con sus respectivos restatos. Adems se disponen de multmetros y un sincronizador (ampolletas).

Desarrollo de experiencia:

1. Identificar las partes del motor de induccin, armarlo y energizarlo.

2. Identificar el acoplamiento entre generador sincrnico y motor continuo. Se estudiar el comportamiento del motor. Realizar la partida del motor. Cmo incide la corriente de campo sobre el torque y las revoluciones? Tratar de obtener las revoluciones para accionar el generador a la frecuencia de la red.

3. Estudiar el efecto sobre las revoluciones del conjunto si se energiza el campo del generador sincrnico. Con el uso de un sincronizador tratar conectar la mquina a la red. Para esto variar tanto la corriente de excitacin de la mquina sincrnica, como la del motor continuo. Qu pasa si se conecta en asincrona? Qu pasa si ahora disminuyen el torque de la mquina continua?

Procesamiento de datos:

1. Analizar el funcionamiento del motor de induccin.2. Notar las relaciones que rigen el torque y revoluciones de la mquina continua y sincrnica.

3. Observar los requisitos para la sincronizacin a la red y cmo llegar a stos.

En el anexo de este captulo se encuentra la descripcin detallada de la experiencia para las instalaciones de la Fcfm de la Universidad de Chile.

- 62 -


Ilustracin 2.39: Acoplamiento mecnico entre mquinas elctricas

Ilustracin 2.40: Circuito de la mquina de corriente continua

2.11.1 DETALLE DE LA EXPERIENCIA DE LABORATORIO DE MQUINAS ELCTRICAS PARA LAS INSTALACIONES DEL DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELCTRICA DE LA UNIVERSIDAD DE CHILE

Instalacin del laboratorio

Motor de induccin. Acoplamiento mquina sincrnica continua

Se dispone de una mquina continua que se encuentra acoplada mediante un eje mecnico a la mquina sincrnica.

La mquina continua se alimenta con 220 VDC y tiene un restato R2 para controlar la corriente de campo. Este controla las revoluciones, es decir funciona como acelerador. Adems se cuenta con un restato R1 (apariencia de estufa) para regular la partida de la mquina. Se cuenta con ampermetros para cuidar de no excederse la corriente mxima permitida por la mquina.

- 63 -


Ilustracin 2.41: Circuito de la mquina sincrnica

La mquina sincrnica se alimenta con 110 VDC para la excitacin del campo. Tiene un restato para controlar la corriente de campo. Las tres fases de salida se conectan a un sincronizador, en este caso unas ampolletas con un polo a la fase del generador y el otro a la fase de la red. Recordar que el voltaje de salida tiene la siguiente dependencia:

Donde:: Voltaje de salida en bornes de la

mquina sincrnica.: Constante propia de la mquina

sincrnica (dada por sus aspectos constructivos).: Corriente de campo (controlada por el

restato ya mencionado).: Velocidad sincrnica.: ngulo de fase del voltaje.

Adems si se mide el voltaje en una sola fase, el voltaje de lnea (fase fase) vale:

Instrucciones para partida del motor de corriente continua y control de su velocidad.

1. Verificar que el restato 1 (R1) se encuentre con resistencias desconectadas (resistencia infinita).

2. El restato 2 acelerador (R2) se debe encontrar en la menor resistencia para evitar la aceleracin. Recordar que velocidad de giro es: =kR/V(donde k es una constante de la mquina).

3. Disminuir gradualmente R1 (conectar interruptores uno por uno) para entregar V a la armadura.

4. Cuando estn todas las resistencias R1 conectadas desconectar el restato (usando el interruptor de bypass). Bajo esta nueva condicin, la corriente pasa directo a la armadura, sin resistencias de por medio.

5. Controlar velocidad con R2.

Instrucciones para sincronizacin de la mquina sincrnica con la red elctrica.

1. Configurar la rotacin del eje con el acelerador para obtener 50 Hz.

- 64 -


Recordar que las rotaciones por minuto RPM dependen de la frecuencia de red f y de la cantidad de polos, segn la siguiente relacin:

Donde n es la velocidad mecnica en RPM (en este caso se requieren 1500 RPM), f es la frecuencia elctrica de la red, y p es el nmero de polos.

2. Configurar el voltaje de salida en 380 V con el restato de campo de la mquina sincrnica.

3. Si existe diferencia de voltaje,frecuencia o desfase entre el generador y la red, las ampolletas parpadean o permanecen siempre prendidas. Puede resultar necesario iterar entre los dos pasos anteriores hasta lograr mantener totalmente apagadas las ampolletas, al menos durante un tiempo suficiente como para conectar la mquina a la red elctrica.

4. Cuando estn totalmente apagadas, se puede conectar a red.

Instrucciones para modificacin de la corriente de campo de la mquina sincrnica.

1. Previo a la partida de la mquina de corriente continua y de la sincronizacin de la mquina sincrnica con la red elctrica, se debe incluir un restato de corriente continua (Rcc) en serie con el enrollado de campo, como se muestra en la siguiente figura.

2. Posterior a la sincronizacin se debe realizar la variacin del restato de campo de la mquina sincrnica (Rcc) para ir observando la variacin del factor de potencia de la mquina sincrnica (variacin en las potencias activa y reactiva entregada/consumida por la mquina). Observar si la mquina se encuentra subexcitada (lag) o sobreexcitada (lead). Cuando la mquina se encuentra subexcitada consume potencia reactiva desde la red, mientras que cuando est sobreexcitada entrega potencia reactiva a la red.

Ilustracin 2.42: Circuito de la mquina sincrnica con restato de campo.

- 65 -


Instrucciones para la conexin del banco de condensadores.

1. Operar la mquina hasta determinar un punto de operacin definido por una potencia activa entregada por la mquinas sincrnica a la red, un factor de potencia y una corriente de campo (Como sugerencia, pruebe operar la mquina entregando 500 W de potencia activa a la red, con una corriente de campo de 2 A y un factor de potencia de 0,8 inductivo (lag).

2. Apagar las mquinas e incluir un banco de tres condensadores idnticos en paralelo con cada una de las fases de la mquina sincrnica.

3. Observar el nuevo factor de potencia que se obtiene con la misma potencia activa y corriente de campo, ambas fijadas anteriormente.

4. Observar el efecto de la inclusin del banco de condensadores sobre el factor de potencia y sobre la corriente de campo mnima para la cual la mquina entrega reactivos a la red (sobreexcitada).

Instrucciones para el apagado de ambas mquinas.

1. Desconectar el generador de la red.2. Setear el restato acelerador (R2) en

mnimo.3. Conectar el restato R1y desconectar

gradualmente las resistencias.4. Cortar las alimentaciones desde el

tablero.

Objetivos de la Experiencia.

Identificar las principales mquinas elctricas para generar energa elctrica.

Reconocer las mquinas elctricas que se ocupan en el aprovechamiento de recursos renovables.

Comprender los principios bsicos de la conversin electromecnica de la energa.

Sincronizar el generador sincrnico con la red.

Comprender el concepto de potencia reactiva y factor de potencia.

Ilustracin 2.43: Circuito de la mquina sincrnica con banco de condensadores.

- 66 -


Observar el cambio del factor de potencia (potencia reactiva entregada) con la modificacin de la corriente de campo del generador sincrnico.

Observar el cambio del factor de potencia (potencia reactiva entregada) con la inclusin de condensadores en paralelo con los terminales del generador sincrnico.

Trabajo de Laboratorio. En la realizacin de este laboratorio se

trabajar con distintas actividades en las que usted debe tomar nota de todo lo experimentado. Estas actividades sern 3:

Mquina de induccin. Mquina de corriente continua Mquina sincrnica

A continuacin se detallan las actividades que debe realizar en cada experiencia.

Mquinas de Induccin:1. Identifique todos los elementos de la

mquina. Tome nota de los aspectos constructivos, disposicin, tipo de materiales, etc.

2. Arme el motor de induccin sin ayuda de su ayudante, sin rotor. Haga las conexiones necesarias para que el motor funcione, pero NO ENERGICE sin autorizacin.

3. Pida revisin de su ayudante o auxiliar para que pueda energizar.

4. Utilice la varilla con punta de metal entre los 3 ncleos magnticos una vez est energizado el motor.

5. Pruebe con los dos rotores que se le facilitan la reaccin al ponerlos entre los 3 ncleos magnticos.

6. Responda por qu el rotor gira en esa direccin?

7. Desenergizando, realice las acciones necesarias para hacer que el rotor gire en direccin contraria.

Mquina de corriente continua:1. Identifique todos los elementos de la


2. Identifique adems los elementos extras que se utilizan para el funcionamiento de la mquina. Reconozca la conexin realizada por los ayudantes. No olvide considerar la alimentacin, la carga y anotar cualquier detalle al respecto. Anote los datos de placa de la mquina y dimensione su tamao en comparacin con elementos cotidianos.

3. Utilizando un guante, realice la partida de la mquina de continua como lo indicar el ayudante.

4. Modifique la velocidad de la mquina con el restato de campo.

5. Responda, cree ud. que es la nica forma de modificar la velocidad de la mquina?

6. Responda, ser posible alimentar una mquina como esta con un panel fotovoltaico?

Mquinas sincrnicas:1. Identifique todos los elementos de la


2. Identifique adems los elementos extras que se utilizan para el funcionamiento de la mquina. Reconozca la conexin realizada por los ayudantes. No olvide considerar la alimentacin, la carga y anotar cualquier detalle al respecto.

3. Anote los datos de placa de la mquina y dimensione su tamao en comparacin con elementos cotidianos.

PRECAUCIN: No energice las mquinas ni elementos sin previa autorizacin de su profesor auxiliar o ayudante presente en la experiencia. En cualquier emergencia NO DUDE en ACCIONAR el botn STOP.

- 67 -


4. Si no sabe, pregunte a su ayudante sobre el concepto de red infinita.

5. Responda, por qu es necesario sincronizar una mquina sincrnica?

6. Analice las caractersticas necesarias para que exista sincronizacin entre la mquina y la red infinita, tanto en trminos tericos como prcticos.

7. Sincronizar la mquina con la red en condiciones ptimas.

8. Sincronizar la mquina con la red en condiciones anormales.

9. Responda, cmo podra mejorarse el sistema de sincronizacin?

10. Responda, qu pasa con un sistema que no tiene red infinita?

11. Responda, una mquina sincrnica solamente puede funcionar si est conectada a la red infinita?

12. Cunta potencia consume la mquina sincrnica para alimentar el campo? Y cunto genera?

13. Si no sabe, consulte por los conceptos de potencia activa, reactiva y aparente. Adems del concepto de factor de potencia.

14. Responda si un generador sincrnico siempre entrega potencia reactiva a la red o puede recibirla tambin. Qu ocurre en el caso de los generadores de induccin?

15. Responda, cmo vara la potencia reactiva del generador a medida que se cambia la corriente de campo de la mquina sincrnica?

16. Responda, vara la potencia activa del generador a medida que se cambia la corriente de campo de la mquina sincrnica?

17. Responda de acuerdo a lo anterior, cmo hara Ud. para variar la potencia activa de la mquina sincrnica?

18. Responda, por qu es importante mantener un adecuado control sobre la potencia reactiva?

19. Responda. Manteniendo las condiciones de operacin fijas, cmo vara el factor de potencia de

la mquina al incluir un banco de condensadores en los bornes de la mquina sincrnica? A qu se debe lo anterior?

20. Cmo se aprovecha el efecto del banco de condensadores en las redes elctricas reales?

21. Sin los condensadores, para qu corriente se produce el cambio de factor de potencia inductivo a capacitivo? (o lo que es lo mismo, la mquina pasa de estar subexcitada a sobreexcitada?

22. Cmo cambia la corriente anterior al conectar el banco de condensadores?

Evaluacin de la Experiencia.

De acuerdo a lo experimentado y a la investigacin propia se deber entregar un informe. En l explique y muestre con figuras la diferencia entre corriente continua (CC) y corriente alterna (CA). Nombre ventajas y desventajas de

ambas alimentaciones (CC y CA). De ejemplos de energas renovables

utilizando CC y CA.

En los 4 puntos siguientes apoye su explicacin a partir de la experiencia de laboratorio. Explique el principio de

funcionamiento de una mquina de corriente continua.

Explique el principio de funcionamiento de una mquina de induccin.

Explique el principio de funcionamiento de una mquina sincrnica.

Cualquier otra consideracin que haya sido experimentada ser beneficiada en la evaluacin de su informe. Indique cmo se utilizan estas 3 mquinas para aprovechar las energas renovables.

- 68 -


Bibliografa recomendada para la confeccin del Informe.

[1] M. Liwschitz-Garik y C.C. Whipple. Mquinas de Corriente Alterna, Compaa Editorial Continental, S.A., Mxico, 1971.

[2] G. Thaler y M.Wilcox.Mquinas Elctricas, Limusa-Wiley, 1969.

[3] M. Kostenko y L. Piotrovsky.Mquinas Elctricas. Tomo II, Montaner y Simon, 1968.

[4] A. Fitzgerald y C. Kinsgsley, J.C.Electric Machinery. 2nd Ed., Mc Graw-Hill, 1961.

[5] A. Langsdorf.Teora de las Mquinas de Corriente Alterna, Mc Graw-Hill, 1971.

[6] Mquinas Elctricas, Publicacin C/5, Depto. de Ingeniera Elctrica, U. de Chile, 1983.

[7] J.Romo, L.Vargas: Texto Apuntes EL42C, Conversin Electromecnica de la Energa, Depto. Ing. Elctrica, U. de Chile, 1ed. 2003, 2ed. 2007.

2.11.2 PREGUNTAS PARA EVALUAR LA COMPRESIN DEL CAPTULO1. Cul es la ley de electromagnetismo

que gobierna el movimiento de los motores? Explique brevemente cmo funciona.

2. Cul es la ley de electromagnetismo que gobierna el movimiento de los generadores? Explique brevemente cmo funciona.

3. Qu es el deslizamiento?4. Qu es el campo magntico?Para

qu se necesita en un generador? Cules son las opciones para crear un campo magntico en un generador?

5. Qu es un material ferromagntico? Cul es su relacin con las mquinas elctricas?

6. Qu es la potencia reactiva? Por qu es necesario compensarla?

7. Indique cul es el valor RMS de una

seal de corriente de la forma: v(t)=Vm Cos(wt)

8. Cul es la potencia activa y reactiva asociada a una carga resistiva R que es alimentadapor la fuente de voltaje indicada en la pregunta anterior?

9. Es posible que el generador sincrnico sea de velocidad variable conectado a una red elctrica? Por qu no?

10. Explique la funcin de un rectificador, de un inversor y de un transformador.

11. Considere una mini central hidrulica conectada por una lnea de transmisin de impedancia Z_la un consumo de impedancia Z=R+jX_L-j1/X_C. En el consumo hay 380[V]@50[Hz]. Cul es la energa entregada en un ao al consumo?

12. Un aerogenerador de 1,2 MW se encuentra inyectando reactivos a la red. Si el factor de potencia es 0,85 y la compaa de transmisin exige 0.95, dimensione un banco de condensadores adecuado.

2.11.3 PREGUNTAS CON SOLUCIN

P1 Qu tipo de mquinas recomendara para las siguientes aplicaciones?

a) Generacin elicab) Generacin mini-hidroc) Central hidroelctricad) Motor de correa transportadorae) Motor de disquetera de computadorf) Motor de auto de jugueteg) Grupo electrgenoh) Bomba de extraccin de agua de pozoi) Molienda SAGSolucin

a) Generacin elica:Para generar electricidad a partir del viento es posible utilizar los 2 tipos de mquinas alternas que ya conocemos: una mquina de induccin o una mquina sincrnica. De acuerdo al tipo de mquina que se utilice se tendrn distintos tipos de funcionamiento, lo que est determinado

- 69 -


por distintas tecnologas. Se recomienda cualquiera de estas mquinas pensando en la conexin a sistemas que estn actualmente funcionando con corriente alterna, donde se pueda inyectar potencia desde un parque elico. Ahora, debido a la gran variabilidad de la velocidad del viento, lo que har girar el eje de la mquina a diferentes velocidades, no es posible utilizar mquinas sincrnicas conectadas directamente a la red y necesitarn de dispositivos de electrnica de potencia para la conexin. Por este motivo, y debido a que los elementos de electrnica de potencia son de gran costo, es que en general se utilizan mquinas de induccin. En la Unidad de Energa Elica se ver con mayor detalle cada tecnologa utilizada en la actualidad.

b) Generacin mini-hidroAl igual que en el caso anterior, una central mini-hidro est pensada para funcionar con sistemas alternos. Sin embargo en este caso, es muy factible controlar la cantidad de agua que pasar por la turbina, logrando de esa forma un gran control de velocidad para el giro de la mquina y por lo tanto se recomienda utilizar mquinas sincrnicas que se conectan directamente a la red.

c) Central hidroelctricaUna central hidroelctrica es un caso en grandes magnitudes del anterior, en donde incluso existen mejores tcnicas para controlar el flujo de agua que pasa por la turbina, por lo tanto la mquina recomendada es sin duda una mquina sincrnica.d) Motor de correa transportadoraDebido a que lo que importa en este caso es tener una velocidad y un torque variable para mover distintas cantidades de material, es recomendable utilizar mquinas de corriente continua o mquinas de induccin. Sin embargo hay que tener en consideracin que para ambos casos es necesario utilizar electrnica de potencia. En el caso de la mquina continua, es

necesario rectificar la tensin alterna de la red para poder alimentar la mquina, pero luego el control es bastante simple y de bajo costo. Por otro lado, la mquina de induccin necesita un control bastante inteligente para poder variar su velocidad fcilmente y para ello necesita un variador de frecuencia, que corresponde a un rectificador en cascada con un inversor que modifica la frecuencia de la seal sinusoidal. Esto ltimo corresponde a mayores inversiones. Sin embargo, como los costos de la electrnica de potencia han bajado sumado a que las mquinas de induccin necesitan menor mantencin ya que no tienen partes rozantes, es que

Laboratorio de Maquinas

Documents

Transcript of Laboratorio de Maquinas