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FUNDAMENTO TEORICO Generador síncrono

El generador síncrono es un tipo de máquina eléctrica rotativa eléctrica  rotativa capaz de transformar energía mecánica (en forma de rotación) en energía eléctrica. eléctrica . Su principio de funcionamiento consiste en la excitación de flujo en el rotor. El generador síncrono está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor     de una parte fija o estator . El rotor gira reci!iendo un empuje externo desde (normalmente) una tur!ina. Este rotor tiene acoplada una fuente de "corriente continua" de excitación independiente varia!le que genera un flujo constante# pero que al estar acoplado al rotor# crea un campo magnético giratorio (por el teorema de $erraris) $erraris ) que genera un sistema trifásico de fuerzas electromotrices en los devanados estatóricos. Rotor 

%am!ién conocido como inductor# pues es la parte que induce el voltaje en el estator. El n&cleo del rotor es construido de lámina troquelada de acero al silicio# silicio # material de excelentes características magnéticas# con la finalidad de evitar pérdidas por 'istéresis  corrientes parasitas. El ugo es una pieza continua con zapata polar# para así eliminar la dispersión del flujo por falsos contactos magnéticos. En la zapata polar se 'acen !arrenos para alojar el devanado amortiguador en jaula de ardilla# diseado con el o!jeto de reducir armónicas en la forma de onda que entrega el generador. El rotor gira concéntricamente en el eje del generador a una velocidad sincronica de *++ revoluciones por minuto (,-) para *+ /z (0++ ,- para 1+ /z).

Tipos constructivos

2a principal diferencia entre los diferentes tipos de generadores síncronos# se encuentra en su sistema de alimentación en continua para la fuente de excitación situada en el rotor. •

Excitación Independiente 3 excitatriz independiente de continua que

alimenta el rotor  a  a través de un juego de anillos rozantes  rozantes   esco!illas.

•

Excitatri principa! " excitatri pi!oto 3 la máquina principal de continua

tiene como !o!inado de campo otra máquina de excitación independiente# accionada por el mismo eje. •

E!ectrónica de potencia 3 directamente# desde la salida trifásica del

generador# se rectifica la seal mediante un rectificador controlado#  desde el mismo se alimenta directamente en continua el rotor mediante un juego de contactores (anillos  esco!illas). El arranque se efect&a utilizando una fuente auxiliar (!atería) 'asta conseguir arrancar. •

#in esco$i!!as% o diodos giratorios 3 la fuente de continua es un

rectificador no controlado situado en el mismo rotor (dentro del mismo) alimentado en alterna por un generador situado tam!ién en el mismo eje  cuo !o!inado de campo es excitado desde un rectificador controlado que rectifica la seal generada por el giro de unos imanes permanentes situados en el mismo rotor (que constituen la excitatriz piloto de alterna). •

Excitación est&tica o por transformador de compoundaje# consiste en que

el devanado de campo del rotor es alimentado desde una fuente de alimentación a transformador  rectificadores que toma la tensión  corriente de salida del estator. El transformador# de tipo especial# posee dos devanados primarios# llamados de tensión e intensidad# que se conectan en paralelo  en serie a los !ornes de salida del estator. El transformador convierte la tensión de salida a una más !aja (4+5 aprox)# que se rectifica  aplica al rotor por medio de esco!illas  anillos deslizantes. Es un sistema con autorregulación intrinseca# a que al tener el !o!inado serie# al aumentar el consumo so!re el generador# aumenta el flujo del transformador  por lo tanto aumenta la excitación del generador.

Características de los generadores síncronos

2a diferencia de funcionamiento en vacío al de carga es que existe una composición de flujos# de!ido a las corrientes que circulan en el inducido# éstas alteran el valor  forma de la tensión inducida.

6n incremento de carga es un incremento en la potencia real o la reactiva suministrada por el generador. %al incremento de carga aumenta la corriente tomada del generador. Si no cam!iamos la resistencia de campo# la corriente de campo se mantiene constante#  por tanto# el flujo ( tam!ién es constante.  7demás# si el motor primario mantuviera su velocidad ( constante# la magnitud del voltaje interno generado

tam!ién sería constante.

Fig. 8: Esquema del GS bajo carga

Supongamos un generador síncrono reducido a su mínima expresión3 monofásico# !ipolar# una espira#  en los siguientes estados de carga3

a' Carga inductiva pura

En este caso los flujos aparecen en sentido contrario. -roduciendo un efecto desmagnetizaste# es decir que los flujos se restan8  además produciendo que los polos inducidos de igual nom!re estén enfrentados.

Fig. 9: Esquema del GS y resta de flujos

Supongamos que colocamos una carga con una f.d.p. en atraso  le adicionamos otra con el mismo f.d.p.8 podemos o!servar que el valor de

aumenta pero

mantiene el mismo ángulo de desfase con respecto a incremento en el valor de

entonces tenemos un

que como a dijimos antes# de!e conservar el

mismo ángulo de desfase con respecto a

 a que el valor de

entonces se produce una disminución en el valor de siguiente diagrama fasorial.

es constante#

tal como se muestra en el

Fig. !: "iagrama Fasorial del GS con Carga #nducti$a

$' Carga resistiva

El flujo producido por los polos del rotor inducido

 el producido por las corrientes del

están desfasados. 9enerando así una distorsión del campo resultante.

Fig : Esquema del GS y desfasaje de flujos

Si tuviéramos un generador síncrono con una carga resistiva# le aplicamos otra con el mismo f.d.p. (f.d.p.:)#  teniendo en cuenta las mismas restricciones que

en el caso anterior# podemos o!servar en el diagrama fasorial que el valor de decrece ligeramente.

Fig. %: "iagrama fasorial del GS con Carga &esisti$a

c' Carga capacitiva pura

En este caso los flujos tienen igual sentido. ;ando como consecuencia un efecto magnetizante# es decir que los flujos se van a sumar8  los polos inducidos contrarios enfrentados.

Fig ': Esquema del GS y suma de flujos

;el mismo modo que en los casos anteriores# si colocamos una carga con f.d.p. en adelanto#  le agregamos otra con el mismo f.d.p. notamos que el valor de incrementa realmente# es decir se produce un aumento de la tensión en sus terminales# tal como vemos en el diagrama fasorial.

se

Fig.: "iagrama Fasorial del GS con Carga Ca)aciti$a

d' Carga R()

En este caso los flujos están desfasados un ángulo que depende de la carga del generador8 en consecuencia se produce un efecto desmagnetizaste# la suma vectorial de los flujos es menor8  los polos de igual nom!re enfrentados# se rec'azan apareciendo un momento resistente.

Fig *: Esquema del GS y suma $ectorial de flujos

. &EG+,-C#/ "E 0E/S#/ "E +/ GE/E&-"& S#/C&/

6na manera conveniente de comparar el comportamiento de los voltajes de los generadores síncronos es mediante su regulación de voltaje# que viene definida por la ecuación3

;onde es el voltaje del generado en vacío  es el voltaje a plena carga del generador. 6n generador síncrono que opera con factor de potencia en atraso tiene una regulación de tensión positiva mu grande8 si opera con f.d.p. unitario# tiene una regulación positiva mu pequea#  si opera a f.d.p. en adelanto tiene# regulación de voltaje negativo. 7. OPERACIÓN EN PARALELO: En la actualidad es raro encontrar la existencia de un alternador &nico que de manera aislada alimente su propia carga. Esto sólo se lo puede encontrar en aplicaciones tales como los generadores de emergencia.

!?  c>c?. -ara lograr esto se de!en cumplir las siguientes condiciones de puesta en paralelo3 •

 Deben de ser iguales los voltajes de línea rms.

•

 Los dos generadores deben tener la misma secuencia de fase.

•

 Los ángulos de fase de los dos fases deben de ser iguales.

•

 La frecuencia del generador nuevo, llamado generador en aproximación, debe ser un poco mayor que la frecuencia del  sistema en operación.

 Fig. !" #enerador que se conecta en paralelo con un sistema de potencia en operación

Estas condiciones de puesta en paralelo requieren ciertas explicaciones. 2a condición  es o!via3 para de dos grupos de voltajes sean idénticos# de!en tener la misma magnitud de voltaje rms. 2os voltajes en las fases a  a" serán completamente idénticos en todo momento si am!as magnitudes  sus ángulos son iguales# lo que explica la condición.

 Fig. $" %squema de secuencia de fases.

2a condición = asegura que la secuencia en la que el voltaje de fase llegue a su pico en los dos generadores sea la misma. Si la secuencia de fase es diferente en la figura =a entonces aun cuando un par de voltajes (los de fase a) estén en fase# los otros dos pares de voltajes estarán desfasados por =+@. Si se conectan los generadores de esta manera# no 'a!rá pro!lema con la fase a# pero fluirá enormes corrientes en las fases !  c# lo que daara am!as maquinas. !) Procedimiento general para conectar generador en paralelo3 •

 &rimero" utilizando voltímetros se de!e ajustar la corriente de campo del generador en aproximación 'asta que su voltaje en los terminales sea igual al voltaje en línea del sistema en operación.

•

'egundo, la secuencia de fase del generador en aproximación se de!e comparar con la secuencia de fase del sistema en operación.

Existen muc'as forma de compro!ar esto una de ellas es conectar alternativamente un pequeo motor de inducción a los terminales de cada uno de los dos generadores. Si el motor gira en la misma dirección en am!as ocasiones# entonces# entonces la secuencia de fase es la misma en am!os generadores. Si el motor gira en direcciones opuestas# entonces las secuencias de fase son diferentes  se de!en invertir dos de los conductores del generador en aproximación. Atra manera simple es el método de las tres lámparas incandescentes# la operación comienza arrancando la maquina por medio del motor primario (tur!ina# diesel# etc.) teniendo en cuenta que de!en prender  apagar al mismo tiempo las tres lámparas esto indica que existe la misma secuencia de fase# si prenden  apagan mu rápido esto es de!ido a que tiene diferentes frecuencias esto se arregla su!iendo la velocidad del primario motor# esto se 'ace aumentando el flujo con el reóstato de campo# si prenden  apagan en desorden esto indica que no tienen la misma frecuencia de fases esto se 'ace intercam!iando la secuencia de fases del alternador 'acia la red.

 Fig. (" %squema de secuencia de fases

8. CURVAS DE CAPACIDAD DE UN GENERADOR SINCRONO 2as curvas de capacidad son unas curvas de potencia que nos muestran los límites de calentamiento del rotor  del estator# asumiendo que la tensión en

!ornes se mantiene constante  que -ara explicar cómo se que se o!tienen estas curvas# tenemos el siguiente diagrama fasorial de un generador con $- en atraso  a tensión nominal.

 Fig. )" Diagrama Fasorial 

En primer lugar notese que se 'a colocado unos ejes en el extremo de

7

continuación multiplicamos estos valores por el factor con la finalidad de cam!iar la escala de los ejes a unidades de potencia#  de esta manera o!tenemos un nuevo diagrama fasorial.

 Fig. *+" uevo Diagrama Fasorial 

En este nuevo diagrama 'a que notar que el origen del diagrama fasorial se encuentra en el punto

so!re el diagrama vine dado por

además que la longitud correspondiente a

 tam!ién que la proección de

es el valor de '. -or <imo 'a que sealar que la curva de capacidad# es un dibujo de - vs B# en la cual el límite del circuito de armadura viene dado por

una circunferencia con centro en el origen  con radio "' "8  el límite de campo es una circunferencia con centro en -   radio

 Fig *" /urvas de /apacidad del #'