Maquinas sincronicas

7. Máquinas Síncrónicas
7.1 Introducción Las máquinas sincrónicas (o sincrónicas) son maquinas cuyo estator se encuentra alimentado por corriente alterna, en tanto el rotor tiene alimentación continua ya sea a través de un enrollado de campo o bien mediante imanes permanentes. En términos prácticos, las máquinas sincrónicas tienen su mayor aplicación en potencias elevadas, particularmente comogeneradores ya sea a bajas revoluciones en centrales hidroeléctricas, o bien a altas revoluciones en turbinas de vapor o gas. Cuando la máquina se encuentra conectada a la red, la velocidad de su eje depende directamente de la frecuencia de las variables eléctricas (voltaje y corriente) y del número de polos. Este hecho da origen a su nombre, ya que se dice que la máquina opera en sincronismo conla red. Por ejemplo, una máquina con un par de polos conectada a una red de 50 [Hz] girará a una velocidad fija de 3000 [RPM], si se tratara de una máquina de dos pares de polos la velocidad sería de 1500 [RPM] y así sucesivamente, hasta motores con 40 o más pares de polos que giran a bajísimas revoluciones. En la operación como generador desacoplado de la red, la frecuencia de las corrientesgeneradas dependen directamente de la velocidad mecánica del eje. Esta aplicación ha sido particularmente relevante en el desarrollo de centrales de generación a partir de recursos renovables como la energía eólica. Las máquinas sincrónicas también se emplean como motores de alta potencia (mayores de 10.000 [HP]) y bajas revoluciones. Un ejemplo particular de estas aplicaciones es al interior de laindustria minera como molinos semiautógenos (molinos SAG) o como descortezadores de la industria maderera . Adicionalmente a la operación como motor y generador, el control sobre la alimentación del rotor hace que la máquina sincrónica pueda operar ya sea absorbiendo o inyectando reactivos a la red en cuyo caso se conocen como reactor o condensador síncrónico respectivamente. Particularmente esteúltima aplicación es utilizada para mejorar el factor de potencia del sistema eléctrico el cual tiende a ser inductivo debido a las características típicas de los consumos. En el presente capítulo se describe el principio de funcionamiento de la máquina sincrónica tanto como generador, motor, condensador y reactor y se detalla su modelo matemático a través de dos ejes ficticios denominados ejesdirecto y en cuadratura. Además se comentan algunos aspectos constructivos de este tipo de máquinas y se explica el modelo equivalente de esta máquina junto a su comportamiento en régimen permanente.

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7.2. Principio de funcionamiento del generador sincrónico 7.2.1. Generador desacoplado de la red. Considérese un generador monofásico como el de la figura 7.1. El rotor del generador consiste en unimán permanente que genera un campo magnético B constante y se encuentra rotando (gracias a una máquina impulsora externa) a una velocidad angular . Si medimos la tensión e(t) se observa la curva sinusoidal mostrada a la derecha de la Figura 7.1
e(t)

i
= N e(t) S t

E max

2 t -E max

Figura 7.1. Generador monofásico desacoplado de la red El giro del eje del rotor hace que el flujoenlazado por la bobina del estator sea variable de modo que la tensión generada en sus terminales se debe a la variación temporal de dicho flujo, es decir:

e

N

t

Suponiendo que el flujo enlazado tiene la forma

BA cos( t ) , el voltaje inducido es

e(t )

k ·B· ·sen( t )

Emax sen( t )

(7.1)

Donde: k es una constante de diseño de la máquina (depende del área de la sección A,del número de vueltas N y en general de la geometría del enrollado). B es la densidad de flujo magnético generada por el rotor. es la velocidad mecánica del rotor. De acuerdo con la ecuación (7.1), la tensión inducida en los terminales de la bobina del estator corresponde a una sinusoide de frecuencia equivalente a la velocidad de giro del eje y magnitud proporcional a la densidad de flujo...