Maquina Sincronica

CAPITULO 1

LA MAQUINA SINCRONA

1.1. Generalidades

Desde el punto de vista del comportamiento de un generador sincrónico en un SEP se pueden identificar las variables mostradas en la Figura 1.1. En general, el cambio de cualquiera de las variables de control, afecta a las cuatro variables de salidas.

En un sistema de potencia, la actuación sobre el torque de la máquina motriz hace posible mantener un balance exacto entre la potencia activa generada en el sistema y la potencia activa consumida por las cargas más las pérdidas. Este balance permite que el sistema trabaje a una frecuencia constante.

Por otra parte, actuando sobre la corriente de excitación de cada generador, es posible mantener un balance exacto entre las potencias reactivas generadas y las del consumo y pérdidas. Este balance permite mantener una tensión constante (en módulo) en las barras del sistema.

a. Generador conectado a una barra infinita: La tendencia actual es trabajar con un sistema eléctrico de transmisión y distribución que interconecte las diferentes centrales generadoras y los puntos de consumo, de modo que una sola central y más aún, una sola máquina representa un pequeño porcentaje de la potencia total del sistema. Evidentemente esta máquina no estará capacitada para alterar ni el voltaje ni la frecuencia del sistema eléctrico. En el límite se puede considerar que el sistema mantiene el voltaje y la frecuencia invariables, lo que se puede asimilar a una máquina que tiene cero impedancia interna e inercia rotacional infinita. Se habla entonces de una “barra infinita” (Figura 1.2).

Figura 1.1.- Representación esquemática de una Máquina Síncrona

Figura 1.2.- Barra infinita

Un gran SEP puede considerarse como una barra infinita para muchos fines prácticos. En este caso entonces, dado que el voltaje y la frecuencia se mantienen constantes, las variables de salida se reducen a las potencias activa P y reactiva Q donde la corriente de excitación Iexc influye fundamentalmente en Q y el torque motriz Tm influye básicamente en P; es decir, hay un acoplamiento débil entre Iexc y P y entre Tm y Q.

b. Condiciones de puesta en paralelo: Para operar dentro de un sistema eléctrico, un generador síncrono debe trabajar normalmente en paralelo con otros generadores, unidos a una barra de generación común, si pertenecen a una misma central o separados por alguna impedancia (líneas, transformadores) si pertenecen a centrales diferentes. Tratándose de alternadores polifásicos, las condiciones de puesta en paralelo son las siguientes:

• Módulo de la tensión en bornes igual al existente en la barra. Se actúa sobre la corriente de excitación

• Frecuencia igual a la de la barra. Se actúa sobre el torque motriz

• Igual secuencia de fases

• Igualdad en la forma de onda

c. Generador alimentando una carga individual: Supongamos por simplicidad que la carga es de tipo impedancia estática y se aumenta Tm. En este caso, al aumentar Tm, aumenta la velocidad y por lo tanto varían tanto la frecuencia como el voltaje y en consecuencia, varían también P y Q.

1.2. Parámetros de la máquina síncrona

a. De régimen permanente

Rotor cilíndrico: Impedancia síncrona Zs=Rs+jXs, habitualmente Zs=jXs

Rotor de polos salientes: Reactancia de eje directo: Xd

Reactancia de eje en cuadratura: Xq

b. De régimen transitorio (sin considerar enrollados amortiguadores)

Reactancia transiente de eje directo:

Constante transiente de tiempo: *'d

Adicionalmente, para el estudio del comportamiento de la máquina síncrona en régimen desbalanceado es necesario introducir los parámetros impedancia de secuencia cero (Z0), positiva (Z1) y negativa (Z2) que se estudiarán posteriormente, así como la reactancia subtransiente ( )

1.3. Circuitos equivalentes de la máquina síncrona

Los circuitos equivalentes dependen del tipo de máquina (rotor cilíndrico o de polos salientes), del tipo de estudio que se desea realizar y del grado de precisión deseada. Se pueden clasificar en dos grupos: aquellos utilizados en los estudios de régimen permanente (balanceado o desbalanceado) y los utilizados en los estudios de régimen transitorio, particularmente cortocircuitos y estabilidad. Las Figuras 1.3. a) y b) muestran los circuitos equivalentes de una máquina síncrona de rotor cilíndrico, usuales en los estudios de régimen permanente. En a) se considera la resistencia síncrona y en b) se desprecia. Para una máquina de polos salientes no es posible establecer un circuito equivalente simple y su comportamiento se estudia en base a su diagrama fasorial d-q.

a)

b)

Figura 1.3.- Circuitos equivalentes de una máquina síncrona para estudios de régimen permanente

Los circuitos de la Figura 1.4. a) y b) se usan en los estudios de cortocircuitos simétricos: a) se emplea en aquellos casos en que se supone la máquina en vacío antes de producirse el cortocircuito. La tensión E, en este caso, es la de vacío en los terminales de la máquina. Si la corriente antes de producirse el cortocircuito es significativa, se emplea el circuito de la Figura 1.4.b). La elección de E' y E'' así como y en ambos casos, depende del instante de tiempo en que se evalúa la corriente después de ocurrida la falla.

Es conveniente hacer notar que los circuitos de la Figura 1.4 se emplean tanto para máquinas de rotor cilíndrico como de polos salientes. Esto se debe a que en condiciones de cortocircuito, las corrientes son prácticamente reactivas y en consecuencia la componente en cuadratura de la corriente (Iq) en las máquinas de polos salientes se puede despreciar sin cometer gran error.

En los estudios simplificados de estabilidad transitoria, una máquina síncrona de rotor cilíndrico

...