Fundamentos y Modelado de Máquinas Sincrónicas y Motores Brushless

Máquinas Sincrónicas: Principios de Funcionamiento y Modelado

Temario

1. Introducción
2. Velocidad en máquinas sincrónicas
3. Tensión interna
4. Circuito equivalente de un generador sincrónico
5. Diagrama fasorial de un generador sincrónico
6. Potencia y par en generadores sincrónicos
7. Medición de parámetros del modelo de generador sincrónico
8. El generador sincrónico operando solo
9. Funcionamiento como motor

1. Introducción

Las máquinas sincrónicas son dispositivos fundamentales en la ingeniería eléctrica, caracterizados por:

• Velocidad de giro constante.
• Ser el dispositivo más utilizado para la generación de energía eléctrica.
• Funcionamiento dual como motor y generador.
• Capacidad de entregar corriente en retraso o en adelanto respecto a la tensión.

Tipos de Generadores Sincrónicos

Generador de Polos Lisos (Cilíndricos)

• Alta velocidad (2-4 polos).
• Elevada potencia (100-400 MVA).
• Aplicaciones principales: Centrales nucleares y de vapor.

Generador de Polos Salientes

• Potencia pequeña y mediana (0-100 MVA).
• Aplicaciones de baja potencia: Pequeños motores de precisión (para reloj) y aplicaciones domésticas.
• Aplicaciones de media potencia: Generadores para fuentes de emergencia y motores para bombas y motores de barco.
• Aplicaciones de elevada potencia: Generadores para centrales hidráulicas.

Generador de Imanes Permanentes

• Baja velocidad (hasta 100 pares de polos).
• Baja potencia (0-7 MVA).
• Aplicaciones principales: Aerogeneradores.

2. Generador Sincrónico en Vacío

La frecuencia de la tensión generada depende directamente de la velocidad de giro del rotor.

3. Generador Sincrónico con Carga

Cuando el generador opera bajo carga, se producen los siguientes efectos:

• Las corrientes del estator establecen un campo rotatorio en el entrehierro.
• Aparición del Flujo de Reacción de la Armadura.
• Determinación del Flujo Resultante en el entrehierro.

4. Circuito Equivalente de un Generador Sincrónico por Fase

El modelo equivalente se construye considerando los flujos magnéticos internos: flujo de la armadura, flujo de dispersión de la armadura y flujo de reacción de la armadura.

Parámetros Clave del Modelo

• Reactancia magnetizante (X_ar), también conocida como reactancia de la armadura.
• Reactancia sincrónica (X_s = X_ar + X_al), donde X_al es la reactancia de dispersión.
• Impedancia sincrónica (Z_s = R_a + jX_s), donde R_a es la resistencia de la armadura.

Determinación de los Parámetros del Modelo

Ensayo en Vacío

Este ensayo permite determinar la relación entre la tensión interna y la corriente de campo (I_f).

• Se opera a velocidad nominal.
• El devanado estatórico se mantiene abierto.
• Se mide la tensión V en función de I_f.

Ensayo en Cortocircuito

Este ensayo permite determinar la impedancia sincrónica.

• Se opera a velocidad nominal.
• El devanado estatórico se cortocircuita.
• Se mide la corriente de armadura I_a en función de I_f.

Diagrama Fasorial y Ángulo de Carga

La tensión en los terminales se toma como fasor de referencia.

• Generador: El ángulo de carga (δ) es positivo.
• Motor: El ángulo de carga (δ) es negativo.

Máquinas Brushless (Sin Escobillas)

Temario

1. Introducción
2. Estructuras típicas
3. Motor Brushless DC (BLDC)
4. Característica Par-Velocidad
5. Motores Brushless AC (BLAC)

1. Introducción y Aplicaciones

Los motores sin escobillas ofrecen ventajas significativas en términos de rendimiento, ruido y mantenimiento.

Aplicaciones Destacadas

• Discos duros de ordenadores: Para evitar los residuos generados por las escobillas.
• Ventiladores: Para reducir el ruido, aumentar el rendimiento y facilitar el control de velocidad.
• Servomotores de precisión: Utilizados en automatización industrial para la reducción de tiempos de respuesta.
• Tracción eléctrica: Para eliminar el reductor, reducir su mantenimiento e incrementar el rendimiento general del sistema.

Tipos de Motores Brushless

• DC Brushless (BLDC): Motor de corriente continua conmutado electrónicamente.
• AC Brushless (BLAC): Máquina sincrónica con imanes permanentes.