Motores asíncronos: Balance de potencia

 

Figura 1

Las pérdidas en el motor de inducción se clasifican en los 3 grupos típicos para cualquier máquina eléctrica:

·         Pérdidas en el cobre (eléctricas) (en rojo en la figura 1, 2 y 3)

·         Pérdidas en el hierro (magnéticas) (en amarillo en la figura 1, 2 y 3)

·         Pérdidas por rozamientos y ventilación (mecánicas) (en azul en la figura 1, 2 y 3)

Interpretación de las pérdidas a partir del circuito equivalente

Figura 2

Interpretación de las pérdidas a partir del dibujo esquemático

Figura 3

Leyenda de las figuras 1, 2 y 3:

(1) Pent = PE : Potencia eléctrica de entrada. Es la potencia que la máquina absorbe de la red.

(2) P_CUE : Pérdidas por efecto Joule en el cobre del devanado del estátor.

(3) P_FeE : Pérdidas magnéticas en el hierro del estator

Se cumple:

Las pérdidas ferromagnéticas en un motor de inducción vienen parcialmente del estátor y parcialmente del rotor. Puesto que un motor de inducción funciona normalmente cerca de la velocidad síncrona, el movimiento relativo de los campos magnéticos sobre la superficie del rotor es bastante lento y las pérdidas del rotor son mínimas comparadas con las del núcleo del estátor.

Como las frecuencias de las corrientes del rotor son muy reducidas, debido a que los deslizamientos en la máquina suelen ser pequeños (por ejemplo, para S = 5% con f_E = 50 Hz resulta f_R = 2,5 Hz « f_E), se considera que prácticamente es el hierro del estátor el único origen de las pérdidas ferromagnéticas.

Utilizando el circuito equivalente:

(4) P_CUR : Pérdidas por efecto Joule en el cobre del devanado del rotor.

(5) Pa : Potencia electromagnética que llega al rotor de la máquina, a través del entrehierro (potencia en el entrehierro).

(6) Pi : Potencia mecánica interna. Es la potencia mecánica que llega al árbol de la máquina.

(7) P_MEC  : Pérdidas mecánicas por rozamiento y ventilación.

(8) Putil : Potencia útil del motor, y que se suministra a través del eje del motor.

(9)  Γutil : Par útil o de salida que genera el motor. Es inferior al par electromagnético desarrollado por la máquina debido a que en este se incluyen las pérdidas mecánicas.

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Funcionamiento de alternadores en “isla”

Un alternador funcionando aisladamente o en ISLA, funciona con independencia de cualquier otra red, suministrando completamente la energía a las cargas que tenga conectadas.

Suelen ser útiles en zonas donde no hay suministro de energía eléctrica debido a dificultades orográficas que provocan un cierto aislamiento.

En un alternador en ISLA las potencias activas y reactivas suministradas son iguales a las que demanda la carga.

La frecuencia de funcionamiento se controla con el regulador de velocidad de la turbina y la tensión de salida se modifica actuando sobre la corriente de excitación.

Características de un alternador trabajando en ISLA

Para un alternador que trabaja en una red aislada (en ISLA) se tiene:

·      La frecuencia depende exactamente de la velocidad del motor primario que mueve la máquina síncrona.

·         El factor de potencia del generador es el factor de potencia de la carga.

·         La tensión de salida depende de:

o   La velocidad de giro.

o   De la corriente de excitación.

o   De la corriente de inducido.

o   Del factor de potencia.

Figura 1

(1) Regulador de la frecuencia (figura 1 y 2)

Si la potencia varía, es necesario adaptar la generación al consumo. Si hay un aumento de carga y no se modifica la potencia mecánica suministrada por el motor primario (turbina) del alternador, la energía adicional requerida se extrae de la energía cinética almacenada en las masas giratorias del sistema, con lo cual la velocidad de giro experimenta un descenso que se refleja en un descenso de la frecuencia del generador.

Si se reduce la carga sucede lo contrario.

En las centrales eléctricas, en cada unidad generadora se controla la velocidad del grupo mediante el denominado regulador de velocidad de la turbina, llamado también de regulación primaria.

Figura 2

Entrada del vapor

El vapor entra por la Tubería de entrada.

Péndulo taquimétrico

Es el órgano sensible a la velocidad de rotación de la máquina. En función de la velocidad provocará la apertura o cierre del vapor de entrada a la turbina. Antiguamente se utilizaba el péndulo de Watt (el de la figura), si bien en la actualidad se emplean tacómetros eléctricos que miden las revoluciones del eje turbina-generador.

Palanca de unión

Representada por la varilla MGA. Su misión es hacer que se muevan los pistones de la válvula piloto, proporcionalmente al cambio de velocidad del eje turbina-alternador.

(2) Regulador de tensión (figura 1)

Normalmente interesa que la tensión suministrada a la carga permanezca constante, aunque se modifique el consumo.

La regulación se realiza por modificación de la tensión de excitación que modifica el flujo    mediante un reostato que regula la corriente de excitación.

Aplicaciones:

Una aplicación típica de los alternadores en ISLA se tiene con los llamados equipos electrógenos. Éstos utilizan como motor primario para el alternador, un motor diésel (foto de cabecera).

Una de sus aplicaciones típicas es como grupo de emergencia para hospitales, fábricas, etc, que requieran tener asegurada una alta continuidad del servicio en condiciones de fallo del suministro de la red.

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Compensación de energía reactiva en bornes de un transformador para elevar su potencia disponible

La potencia activa disponible en el secundario de un transformador es tanto más elevada cuanto más se aproxime el factor de potencia a la unidad.

Es, por tanto, interesante, en previsión de futuros aumentos de potencia, elevar el factor de potencia en la instalación para evitar el coste de un nuevo transformador.

Ejemplo:

Un transformador de S = 630 kVA de potencia alimenta una carga de potencia activa P1 = 450 kW con un cos ϕ medio igual a 0,8.

Se determina:

·         La potencia aparente: 

·         La potencia reactiva:

El aumento considerado supone una potencia activa suplementaria de P2 = 100 kW con cos ϕ= 0,7, deduciremos las características de esta potencia suplementaria:

·         Potencia aparente:

·         Potencia reactiva:

Sin compensación, la potencia aparente en bornes del transformador sería:

Observamos que esta potencia es superior a la potencia nominal del transformador.

Determinaremos la potencia mínima de los condensadores que permitan evitar la sustitución del transformador.

La potencia activa total a suministrar es:

P = P₁ + P₂ = 550 kW

Para P = 550 kW, la potencia reactiva máxima que puede suministrar el transformador de 630 kVA es:

La potencia reactiva total a suministrar a la carga antes de la compensación es:

 La potencia mínima de las baterías a instalar sería:

Se obtiene entonces:

Se podría realizar una compensación total (cos ϕ = 1), que permitiría tener una reserva de potencia de 630 – 550 = 80 kW; en tal caso, la batería de condensadores a instalar sería de 439 kVAr, pero observaríamos que la compensación total necesitaría una instalación muy importante de condensadores para obtener una escasa ganancia de la potencia activa disponible.

El diagrama de potencias de la figura ilustra los cálculos realizados.

Diagrama de potencias del ejemplo

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Consecuencias debidas a la rotura del conductor neutro en una red eléctrica de BT

Aunque las redes de distribución son generalmente trifásicas, la mayor parte de los aparatos son monofásicos. En función de las necesidades de cada usuario de BT, se pueden producir desequilibrios en la tensión. El caso más peligroso es el del corte del neutro, que puede llevar a una subida de potencial peligrosa para los aparatos previstos para funcionar a tensión simple y que entonces se ven sometidos a una tensión próxima a la tensión compuesta (figura 1).

Figura 1: Corte del neutro con receptores monofásicos

Considerando el esquema de la figura 2, donde Z1, Z2 y Z3 representan las impedancias equivalentes por fase del conjunto de cargas aguas abajo del punto de ruptura del neutro.

Si las fases están perfectamente equilibradas, el sistema de tensiones no se perturba.

En caso de desequilibrio de las cargas, el punto neutro se desplaza y las tensiones fase-neutro se aproximan a la tensión compuesta en las fases menos cargadas, mientras que para las fases más cargadas (pequeña impedancia) pasan a ser inferiores que la tensión simple.

Figura 2: Esquema equivalente de una red de BT con corte del conductor neutro

Utilizando el teorema de superposición, se puede demostrar que:

La tensión aplicada en los bornes de un receptor monofásico en la fase 3, por ejemplo, será:

Se puede calcular V_3N para las siguientes impedancias:

                                                               Z₁ = R

                                                               Z₂ = 2 R

                                                               Z₃ = 10 R

(Se toman cargas resistivas para simplificar los calculos)

Aplicando la fórmula 1, se tiene:

Entonces obtenemos:

 De donde:

De igual forma, se determina:

V_n: es la tensión simple nominal

Lo que pone de manifiesto que pueden producirse averías en los receptores monofásicos más sensibles, así como averías sucesivas, seguidas por la evolución de fenómenos que agravan los desequilibrios (Z₃ aumenta con las averías y V_3N aumenta en consecuencia); siendo este un fenómeno de avalancha.

Estos riesgos son, por tanto, un motivo suplementario para equilibrar correctamente las cargas en las redes de BT.

Este es también el motivo, por el cual es necesario disponer de interruptores que corten las fases simultáneamente con el corte del conductor neutro, ver post: “Dimensionado, protección y corte del conductor neutro en instalaciones de BT” en el siguiente link:

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/07/dimensionado-proteccion-y-corte-del.html).

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