Maquinaria

Máquina Sincrónica

Juan A. Tapia

Capítulo 6 Máquina Sincrónica.
6.1 Introducción
Como su nombre lo indica son máquinas capaces de operar só1o a la velocidad sincrónica, esto es, a la velocidad mecánica equiva1ente a la velocidad de rotación de CMR producido por las corrientes del estator. Estas máquinas operando cómodo generador son usadas en las centrales para la generación de energíaeléctrica (hidráulicas, térmicas o nucleares) en sistemas interconectados, figura 1. En tales aplicaciones se les denominan generadores sincrónicos o alternadores y normalmente se operan con otras unidades en las distintas centrales, interconectarlas entre si.

Figura 1. Sistema interconectado de energía eléctrica

Al igual que muchas máquinas eléctricas, las máquinas sincrónicas pueden operarcomo generador o motor. En aplicaciones industriales los motores sincrónicos son usados donde es deseada velocidad constante. Una característica importante de estos motores que pueden operar ya sea tomando o entregando potencia reactiva a la red dependiendo el nivel de excitación. Este tipo de máquinas es de doble excitación esto es: los polos del rotor son alimentados con corriente continuamientras que los bobinados del estator están conectados a la red eléctrica. Por lo tanto, el flujo en el entrehierro es la resultante de ambas excitaciones. El motor de inducción solo es excitado por las corrientes del estator, ya que las corrientes de rotor son producto de un efecto inductivo, siempre operará con factor de
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potencia en atraso. Es decir, quecon una apropiada excitación, el motor sincrónico puede no requerir potencia reactiva de la red para su operación y trabajar con factor de potencia unitario. Aumento o disminución de la corriente de campo involucrará en un aporte o consumo de potencia reactiva a la red eléctrica con lo que se puede regular la tensión en sistemas con factor de potencia bajo. En general la maquina sincrónica tieneen el estator el bobinado de armadura del tipo trifásico y en el rotor el enrollado de excitación alimentado con corriente continua, figura 2. Al aplicar un juego de corrientes trifásicas simétricas y equilibradas en el bobinado de estator, se genera, un CMR que gira a la frecuencia sincrónica (ωs). Si por otro lado se tiene al rotor girando a ωm= ωs y se inyecta una corriente continua, If, alcampo, se producirá un CMR producido por el giro mecánico también a la velocidad ωs.

Figura 2. Representación esquemática de la máquina sincrónica

(a)

(b)

Figura 3. Maquina sincrónica. a) Rotor cilíndrico, b) Polos salientes

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Desde el punto de vista constructivo se distinguen dos formas: de rotor cilíndrico y de rotor de polos salientes, comose muestra en la figura 3a y b. Las MS de rotor cilíndrico se utilizan en aplicaciones de alta velocidad (2 y 4 polos), turbo alteradores. Las MS de polos salientes es mas apropiada para bajas velocidades (alto numero de polos) se aplica en hidrogeneradores.

6.2 Operación de la MS de Rotor cilíndrico.
La corriente de campo If establece en el entrehierro una distribución senoidal de flujo enel entrehierro φ f (mediante una geometría especial del polo magnético o la distribución del bobinado de campo en el caso rotor cilíndrico). Asimismo la corriente de los bobinados trifásicos del estator produce un flujo φ a . Parte de este flujo enlaza sólo los bobinados de estator y no enlaza el bobinado de campo, a este flujo de le denomina flujo de fuga o dispersión. La mayor parte de φ a ,denominada flujo de reacción de armadura φ ar , se establece en el entrehierro y enlaza el bobinado de campo. El flujo resultante φ r es por lo tanto debido a la interacción entre flujos φ f y φ ar . Cada una de estas componentes induce tensiones en los bobinados del estator Ef debida a φ f y Ea debida a φ ar y la tensión Er debida al flujo resultante φ r . La tensión Ef se determina para la...