21_Alternador

Dpto. de Ingeniería Eléctrica

TECNOLOGÍA DE LOS SIST. ELÉCTRICOS MASTER EN ENERGÍA JAVIER ALONSO RIPOLL

Universidad de Valladolid

Escuela de Ingenieros IngenieríasIndustriales Industriales E. T. S. de

LECCIÓN 21.- LA MÁQUINA SÍNCRONA

1/8

1. FUNDAMENTOS ELECTROMAGNÉTICOS

El estudio de las máquinas eléctricas se fundamenta en el campo magnético creado por una bobina en su núcleo. Si despreciamos la distorsión en los extremos, dicho campo magnético puede considerarse uniforme en la dirección del eje de la bobina, y de valor B = μ . N . I , en donde μ es la permeabilidad magnética del material del núcleo, N es el número de espiras por metro de la bobina e I la intensidad de la corriente eléctrica que la recorre. El campo magnético producido por un imán permanente es análogo. Su valor es B = μ . M , en donde M es el momento dipolar magnético por unidad de volumen, o magnetización del imán.

B

B

N

I

M

μ

μ

Figura 1. Campo magnético en el interior de una bobina y de un imán permanente

Cuando el campo magnético creado por una bobina recorrida por una corriente eléctrica atraviesa otra bobina, induce en esta segunda una fuerza electromotriz de valor e = - dφ/dt . El valor de la corriente inducida dependerá de los parámetros del circuito eléctrico inducido. Se denomina φ al flujo del campo magnético de la primera bobina que atraviesa la segunda bobina, siendo su valor φ = B . S . N , en donde B es el campo magnético creado por la primera bobina, S la sección y N el número de espiras de la segunda bobina. N S B

I

Figura 2. Fuerza electromotriz inducida en una bobina






2/8

2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR SÍNCRONO O ALTERNADOR

Para que exista la fuerza electromotriz inducida antes citada, el flujo del campo magnético de la primera bobina que atraviesa la segunda bobina debe ser variable con el tiempo, lo cual puede deberse a las siguientes circunstancias: 9 La corriente eléctrica que circula por la primera bobina y crea el campo magnético es variable con el tiempo. En este caso se habla de fuerza electromotriz inducida por efecto transformador núcleo ip

X

Φ

is

ep np : n s es

up

us

X

Figura 3. Fuerza electromotriz inducida por efecto transformador

9 Hay un movimiento relativo entre ambas bobinas que hace variar el flujo. Se dice entonces que hay una fuerza electromotriz inducida por movimiento

Φ Estator CA (inducido)

Entrehierro

Rotor CC (inductor)

Eje directo o longitudinal (es el eje de la bobina del estator)

Figura 4. Fuerza electromotriz inducida por movimiento

Eje transversal o en cuadratura






3/8

3. MÁQUINAS DE POLOS LISOS Y SALIENTES

Debemos añadir que las bobinas de las máquinas eléctricas pueden ser de polos salientes o lisos. El primer caso recuerda más a las bobinas esquemáticas que hemos utilizado hasta ahora. Pero por razones constructivas se utiliza a veces el segundo caso que, aun morfológicamente muy distinto, resulta funcionalmente equivalente al primero.

Figura 5. Bobinas de polos salientes y lisos En la máquina de la izquierda los polos del estator son lisos y los del rotor salientes La máquina de la derecha tiene lisos tanto los polos del estator como los del rotor




LECCIÓN 21.- LA MÁQUINA SÍNCRONA 4. SISTEMAS DE EXCITACIÓN

Figura 6. Sistemas de excitación de la máquina síncrona


4/8






5/8

5. CARACTERÍSTICA DE VACÍO DEL ALTERNADOR

Es, a cierta escala, la característica B – H del material ferromagnético del circuito magnético, porque: 9 H, amperios – vuelta, es proporcional a Ie 9 B, densidad de flujo magnético, es proporcional a Φ , que a su vez es proporcional a E0 = - dΦ/dt E0

+ +

M ωs

+

Ie Figura 7. Ensayo para determinar la característica de vacío del alternador






6/8

6. REACCIÓN DE INDUCIDO

La diferencia fundamental entre el funcionamiento en vacío y el funcionamiento en carga de la máquina síncrona es la aparición, en este segundo caso, de una corriente eléctrica I en el inducido (estator). Esta corriente eléctrica I crea un flujo magnético Φ i que se suma al flujo magnético Φ 0 creado por la corriente Ie (corriente de excitación o del inductor o del rotor) para dar lugar al flujo resultante o útil Φ . En consecuencia, la fuerza electromotriz resultante inducida en el estator Er será la suma de la. f.e.m de vacío E0 (inducida por la corriente Ie) y de la f.e.m. Ei (inducida por la corriente I). Es decir: Hay dos corrientes: Ie en el inductor (rotor) , I en el inducido (estator) No se pueden sumar, porque pertenecen a distintos circuitos eléctricos. ▼ Hay dos flujos magnéticos: Φ 0 creado por Ie , Φ i creado por I. Su suma es Φ (flujo resultante o útil). ▼ Hay dos f.e.m.’s inducidas en el estator: E0 inducida por Φ 0 , Ei inducida por Φ i . Su suma es Er (f.e.m. resultante o útil). Este fenómeno se conoce con el nombre de reacción de inducido: Φ i es el flujo magnético de reacción de inducido y Ei es la f.e.m. de reacción de inducido. La reacción de inducido aparece tanto en la máquina síncrona como en la máquina de corriente continua, y no se produce ni en el transformador ni en la máquina asíncrona. Es fundamental conocer esta diferencia de comportamiento de las máquinas eléctricas para comprender en profundidad su funcionamiento. En el transformador el inductor es el primario y el inducido es el secundario. En la máquina asíncrona el inductor es el estator y el inducido es el rotor. En estas dos máquinas la ip corriente de campo es la diferencia entre las i’s corrientes del inductor y del inducido reducidas a un mismo devanado. Esta corriente de campo es constante y las corrientes del inductor y del inducido varían con la carga. Se puede decir que estas máquinas trabajan a amperios.vuelta i0 constantes, a flujo magnético constante y a ∅ iFe f.e.m.’s constantes.

iμ

En la máquina síncrona el inductor es el rotor y el inducido es el estator. En la máquina de corriente continua el inductor es el estator y el inducido es el rotor. En estas dos máquinas la corriente de campo es la corriente del inductor, que es constante. La corriente del inducido varía con la carga. Estas máquinas eléctricas no trabajan a amperios.vuelta constantes ni a flujo is magnético constante. Tampoco es constante la Figura 8. Diagrama vectorial de un trafo f.e.m. del inducido.






7/8

7. GENERADOR INDUCTIVO

En la figura aparece el diagrama vectorial del inducido (estator). No se representa la corriente de excitación porque es una corriente del inductor (rotor).

Φ0

Φi Φ

90º

90º

E0 Xi.I

2 n

R Er

U I

XF.I R.I

Figura 9. Diagrama vectorial del inducido de un generador inductivo

El ángulo ψ es el desfase entre la tensión de vacío E0 y la intensidad en carga I . Su cuadrante nos indica el modo de funcionamiento de la máquina. motor capacitivo generador capacitivo motor inductivo generador inductivo El ángulo θ es el desfase entre la tensión de vacío E0 y la tensión en carga U y se denomina ángulo de par por la razón que veremos más adelante. Su signo nos indica si la máquina funciona como generador o como motor. θ < 0 → motor θ > 0 → generador Obsérvese que el flujo resultante o útil Φ es la suma del flujo inductor Φ0 y del flujo de reacción de inducido Φi . En máquinas saturadas se compondrían las fuerzas magnetomotrices, y no los flujos.



Dpto. de Ingeniería Eléctrica Escuela de Ingenieros IngenieríasIndustriales Industriales E. T. S. de


8/8

La resistencia del inducido es R mientras que la reactancia de dispersión del inducido es Xσ . El efecto del flujo de reacción de inducido se tiene en cuenta mediante la reactancia ficticia Xi . A la suma de ambas reactancias se la denomina reactancia síncrona Xs . Con todo ello se puede definir un circuito monofásico equivalente del Xσ Xi alternador. R I

+

E0 (Ie)

U

Figura 10. Circuito monofásico equivalente del alternador 8. GENERADOR CAPACITIVO

Φi Φ

Φ0

I 90º 90º n

R

E0

2

Xi.I

Er XF.I Figura 11. Diagrama vectorial del inducido de un generador capacitivo

U

R.I

En un generador capacitivo puede aparecer una caida de tensión negativa, o elevación de tensión. Es el fenómeno que se denomina efecto Ferranti.

21_Alternador

Recommend Documents