UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA FACULTAD
DE MÉXICO
DE INGENIERÍA
DIVISIÓN DE INGENIERÍA ELÉCTRICA.
PLANTAS GENERADORAS GRUPO:02
EL GENERADOR SÍNCRONO
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ALUMNO: OSORIO CRUZ ALBERTO RICARDO N.° CUENTA: 411067906
FECHA: 23/FEBRERO/2017 23/FEBRERO/2017
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CARACTERÍSTICAS GENERALES Las máquinas síncronas son dispositivos que transforman energía eléctrica (en la modalidad de corriente alterna) en energía mecánica (en la modalidad de movimiento rotatorio), o bien, energía mecánica en eléctrica. En el primer caso trabajan como motores síncronos y en el segundo como generadores síncronos, cuando la energía fluye de izquierda a derecha, la máquina trabaja como motor, y cuando es de derecha a izquierda, como generador (Figura 1.1).
Desde el punto de vista mecánico, la máquina síncrona consta como todas las máquinas rotatorias, de dos grandes conjuntos de piezas (Figura 1.2):
Rotor El rotor es la parte móvil de la máquina síncrona, aloja al devanado de campo y cuenta con el mismo número de polos que el estator. El rotor tiene dos variantes en la máquina síncrona, el rotor de polos lisos y el rotor de polos salientes. El primero se utiliza en aplicaciones donde las velocidades son altas y las potencias bajas en comparación con su contraparte de polos salientes, ya que este último se usa en casos donde las velocidades son menores y las potencias mayores. La Figura 1.3 muestra esquemáticamente los dos tipos de rotores mencionados.
Estator También conocido como armadura, está fabricado por laminaciones de acero permeable, que se mantienen juntas gracias a un bastidor que sirve de apoyo mecánico a la máquina. El estator cuenta con una cantidad específica de ranuras, cuyo objetivo es albergar a los conductores de los tres devanados que normalmente conforman el devanado trifásico de armadura. El tamaño del estator depende de la velocidad y la potencia que tiene la máquina, para generadores de grandes potencias como los que se utilizan en plantas hidroeléctricas, es común que la longitud axial sea pequeña con respecto a su diámetro, por el contrario, las máquinas de alta velocidad que son de una potencia menor tienen un diámetro menor con respecto a su longitud axial y son comúnmente utilizadas en conjunto con turbinas de vapor o gas. El devanado de armadura es comúnmente trifásico formado por tres devanados idénticos desplazados 120° eléctricos entre ellos y se alojan en las ranuras del estator. Por sus conductores pasan las corrientes encargadas de crear el campo magnético rotatorio necesario para generar la Fuerza Magnetomotriz (fmm) suficiente para la conversión de energía. En un generador síncrono se produce un campo magnético en el rotor debído a una corriente de excitación. En seguida, el rotor del generador gira mediante un motor primario o turbina, y produce un campo magnético giratorio dentro de la máquina. Este campo magnético giratorio induce un conjunto de voltajes trifásicos dentro de los devanados del estator del generador (Figura 1.4).
Velocidad de rotación de un generador síncrono Los generadores síncronos son por definición síncronos, lo que quiere decir que la frecuencia eléctrica se produce y entrelaza o sincroniza con la tasa mecánica de rotación del generador. La tasa de rotación de los campos magnéticos en la máquina está relacionada con la frecuencia eléctrica del estator por medio de:
= Donde:
120
……(1)
= é [] = á é [/] = ú
Debido a que el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético, la ecuación (1) relaciona la velocidad de rotación del rotor con la frecuencia eléctrica resultante. La potencia eléctrica se genera a 50 o 60 Hz, por lo que el generador debe girar a una velocidad fija que dependerá del número de polos de la máquina. Voltaje interno de un generador síncrono El voltaje interno que se genera y produce en una fase de un generador síncrono es directamente proporcional al flujo y a la velocidad, pero el flujo en sí depende de la corriente que fluye por el circuito de campo del rotor, es decir:
= … … (2) Donde: = = = é =
Debido a que el voltaje interno es directamente proporcional al flujo, el voltaje interno generado está relacionado con la corriente de campo. Debído a que el generador síncronoes una máquina de corriente alterna, la inductancia se manifiesta como una reactancia , dada por: = 2 … … (3) donde = í, [] = [] = , []
La reactancia síncrona por fase de un generador junto a la resistencia interna asociada forman la impedancia interna. La impedancia está ahí, pero no se puede ver ni tocar. Por lo general, el valor de es 10 a 100 veces mayor que la resistencia; por consiguiente, siempre podemos omitir la resistencia, a menos que nos interese la eficiencia o los efectos de calentamiento. Con todo lo anterior el circuito equivalente por fase del generador es el que se muestra en la figura 1.5.
GENERADORES DE BAJA VELOCIDAD Como se mencionó antes, los generadores síncronos se construyen con dos tipos de rotores: rotores de polos salientes y rotores cilíndricos lisos. Por lo general, los de polos salientes son impulsados por turbinas hidráulicas de baja velocidad, y los cilíndricos, por turbinas de vapor de alta velocidad. La mayoría de las turbinas hidráulicas tienen que girar a bajas velocidades (entre 50 y 300 r/min) para extraer la máxima potencia de una cascada. Como el rotor está directamente acoplado a la rueda hidráulica, y como se requiere una frecuencia de 50 o 60 Hz, se necesita un gran número de polos en el rotor. Los rotores de baja velocidad siempre tienen un gran diámetro a fin de proporcionar el espacio necesario para los polos. Los polos salientes están montados en un gran armazón circular de acero, el cual está fijo en un eje vertical rotatorio. Para garantizar un buen enfriamiento, las bobinas de campo están hechas de barras de cobre desnudo, con las vueltas aisladas entre sí por tiras de mica. Las bobinas están conectadas en serie, con polos adyacentesde polaridades opuestas. Además del devanado de campo de cd, con frecuencia se agrega un devanado de jaula de ardilla, insertado en las caras polares. En condicionesnormales, este devanado no transporta corriente porque el rotor gira a velocidad síncrona. Sin embargo, cuando la carga en el generador cambia de repente, la velocidad del rotor comienza a fluctuar y se producen variaciones de velocidad momentáneas por encima y por debajo de la velocidad síncrona. Esto induce un voltaje en el devanado de jaula de ardilla que hace que fluya una gran corriente adentrode él. La corriente reacciona con el campo magnético del estator y produce fuerzas que amortiguan las oscilaciones del rotor. Por esta razón, el devanado de jaula de ardilla también se conoce como devanado amortiguador. El devanado amortiguador también tiende a mantener equilibrados los voltajes trifásicos entre las líneas, aun cuando las corrientes sean desiguales debido a las condiciones de carga desequilibrada.
GENERADORES DE ALTA VELOCIDAD Las turbinas de vapor de alta velocidad son más pequeñas y más eficientes que las de baja velocidad. Lo mismo sucede con los generadores síncronos de alta velocidad. Sin embargo, para generar la frecuencia requerida no podemos utilizar menos de dos polos y esto fija la velocidad más alta posible. En un sistema de 60 Hz es de 3600 r/min. La siguiente velocidad más baja es de 1800 r/min, que corresponde a una máquina de 4 polos. Por consiguiente, estos generadores de turbina de vapor poseen ya sea 2 o 4 polos. El rotor de un generador de turbina es un cilindro largo y sólido de acero que contiene una serie de ranuras longitudinales fresadas en la masa cilíndrica. Se utilizan bobinas de campo concéntricas, firmemente insertadas en las ranuras y retenidas por anillos extremos de alta resistencia, para crear los polos N y S. La alta velocidad de rotación produce grandes fuerzas centrífugas, las cuales imponen un límite máximo en el diámetro del rotor. En el caso de un rotor que gira a 3600 r/min, el límite elástico del acero requiere que el fabricante limite el diámetro a un máximo de 1.2 m. Por otra parte, para construir los poderosos generadores de 1000 MVA a 1500 MVA, el volumen de los rotores tiene que ser grande. En consecuencia, los rotores de alta potencia y alta velocidad tienen que ser muy largos.
SISTEMAS DE EXCITACIÓN Puesto que el rotor gira, se requiere de un arreglo especial para que la potencia de cd llegue a los devanados de campo. Existen dos formas comunes de suministrar esta potencia de cd: 1. Suministrar al rotor la potencia de cd desde una fuente externa de cd por medio de anillos deslizantes y escobillas. Los anillos deslizantes son anillos de metal que circundan por completo al eje de una máquina, pero se encuentran aislados de él. Un extremo del devanado del rotor de cd está unido a cada uno de los dos anillos rozantes del eje de la máquina síncrona y una escobilla estacionaria se desliza sobre cada anillo rozante. Una “escobilla” es un bloque de un compuesto de carbón parecido al grafito que conduce electricidad libremente pero tiene una fricción muy baja, por lo que no desgasta al anillo rozante. Si el extremo positivo de una fuente de voltaje de cd se conecta a una escobilla y el extremo negativo se conecta a la otra (Figura 1.6), entonces se aplicará el mismo voltaje de cd al devanado de campo en todo momento, sin importar la posición angular o velocidad del rotor.
Los anillos rozantes y las escobillas causan ciertos problemas cuando se utilizan para suministrar potencia de cd a los devanados de campo de una máquina síncrona: incrementan la cantidad de mantenimiento que requiere la máquina debido a que el desgaste de las escobillas debe ser revisado con regularidad. Además, la caída de voltaje en las escobillas puede ser la causa de pérdidas significativas de potencia en las máquinas que tienen corrientes de campo más grandes. A pesar de estos problemas, los anillos rozantes y las escobillas se utilizan en todas las máquinas síncronas pequeñas, ya que no hay otro método para suministrar corriente de campo de cd que sea tan eficiente en términos de costo. 2. Suministrar la potencia de cd desde una fuente de potencia de cd especial montada directamente en el eje del generador síncrono. En los generadores y motores más grandes se utilizan excitadores o excitatrices sin escobillas para suministrar a la máquina corriente de campo de cd. Un excitador sin escobilla es un generador de ca pequeño con un circuito de campo montado en el estator y un circuito de armadura acoplado en el eje del rotor. La salida trifásica del generador excitador se rectifica a corriente directa por medio de un circuito rectifi cador trifásico (que también está montado en el eje del generador) y luego se alimenta al circuito de campo de cd principal. Por medio del control de la pequeña corriente de campo de cd del generador excitador (localizado en el estator) es posible ajustar la corriente de campo en la máquina principal sin anillos
rozantes ni escobillas. Este arreglo se muestra esquemáticamente en la figura 1.7. Debido a que no se presenta ningún contacto mecánico entre el rotor y el estator, los excitadores sin escobilla requieren mucho menos mantenimiento que los anillos rozantes y las escobillas.
Para que la excitación de un generador sea completamente independiente de cualquier fuente de potencia externa, a menudo se incluye un pequeño excitador piloto en el sistema. Un excitador piloto es un pequeño generador de ca con imanes permanentes montados en el eje del rotor y un devanado trifásico en el estator. Produce la potencia para el circuito de campo del excitador, que a su vez controla el circuito de campo de la máquina principal. Si se incluye un excitador piloto en el eje del generador, no se requiere de potenciaeléctrica externa para accionar el generador
BIBLIOGRAFÍA: Stephen J. Chapman, Máquinas Eléctricas, México, DF. McGraw-Hill, 2012. Theodore Wildi, Máquinas Eléctricas y Sistemas de Potencia , México, Pearson Educación, 2007. Víctor Pérez Amador Barrón, Generadores, Motores y Transformadores Eléctricos, México, DF. Facultad de ingeniería, UNAM, 1992. http://www.learnengineering.org/