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Universidad Simón Bolívar – Conversión de Energía Eléctrica - Prof. José Manuel Aller

Capítulo 14: La Máquina Sincrónica en Régimen Permanente 14.1 Introducción Las máquinas de corriente continua y de inducción tienen un amplio rango de aplicaciones industriales tales como tracción, bombeo, control y otros. Sin embargo, la operación del sistema eléctrico de potencia requiere la conversión degrandes cantidades de energía primaria - petróleo, gas natural, agua, carbón, uranio -, en energía y potencia eléctrica. La energía eléctrica puede ser transportada y convertida en otras formas de energía en forma limpia y económica. La máquina sincrónica es hoy por hoy, la más ampliamente utilizada para convertir grandes cantidades de energía eléctrica y mecánica. La máquina sincrónica es unconvertidor electromecánico de energía con una pieza giratoria denominada rotor o campo, cuya bobina se excita mediante la inyección de una corriente continua, y una pieza fija denominada estator o armadura por cuyas bobinas circula corriente alterna. Las corrientes alternas que circulan por los enrollados del estator producen un campo magnético rotatorio que gira en el entrehierro de la máquina con lafrecuencia angular de las corrientes de armadura. El rotor debe girar a la misma velocidad del campo magnético rotatorio producido en el estator para que el torque eléctrico medio pueda ser diferente de cero. Si las velocidades angulares del campo magnético rotatorio y del rotor de la máquina sincrónica son diferentes, el torque eléctrico medio es nulo. Por esta razón a esta máquina se ladenomina sincrónica; el rotor gira mecánicamente a la misma frecuencia del campo magnético rotatorio del estator durante la operación en régimen permanente. La condición necesaria, pero no suficiente, para que el torque medio de la máquina sea diferente de cero es: 14.1 Aun cuando un gran porcentaje de máquinas sincrónicas son utilizadas como generadores en las plantas de producción de energía eléctrica,debido fundamentalmente al alto rendimiento que es posible alcanzar con estos convertidores y a la posibilidad de controlar la tensión, en numerosas ocasiones se emplea industrialmente como elemento motriz. Como otros convertidores electromecánicos, la máquina sincrónica es completamente reversible y se incrementa día a día el número de aplicaciones donde puede ser utilizada con grandes ventajas,especialmente cuando se controla mediante fuentes electrónicas de frecuencia y tensión variable. El
Capítulo 14: La Máquina Sincrónica en Régimen Permanente

w r = we

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principal inconveniente para su uso como motor es que no desarrolla torque de arranque, pero si se incluye en el rotor de lamáquina un devanado auxiliar de jaula de ardilla, es posible obtener torque de aceleración como motor de inducción hasta una velocidad cercana a la de sincronismo, y excitar en el momento apropiado la bobina del campo, con la finalidad de sincronizar la máquina a la red mediante los torques transitorios adicionales que se obtienen durante este proceso. Si la fuente de alimentación puede reducir lafrecuencia angular de las tensiones o corrientes de armadura a valores muy bajos, la máquina es capaz de sincronizarse a esa red y posteriormente ser acelerada a la par que se incrementa paulatinamente la frecuencia de la fuente. Como la construcción de fuentes de gran potencia controladas en frecuencia es hoy día factible mediante puentes inversores con interruptores estáticos, es posible que enel futuro esta máquina incremente notablemente su importancia como accionamiento industrial, e incluso desplace a las máquinas de corriente continua. Durante la operación de la máquina sincrónica en régimen permanente, la velocidad mecánica del rotor es igual a la velocidad angular del campo magnético rotatorio producido por el estator. En estas condiciones, sobre los conductores o bobinas del...