Reacción de armadura o inducido Cuando gira el rotor de un generador síncrono al vacío, se induce un voltaje E 0 0 en los devanados del estator del generador. Si se conecta carga a los terminales del generador, la corriente fluye. Pero el flujo de corriente de un estator trifásico produce su propio campo magnético en la máquina. Este campo magnético del estator distorsiona el campo magnético original del rotor y altera el voltaje de fase resultante. A este efecto se le llama reacción de armadura o del inducido, porque la corriente del inducido (estator), afecta el campo magnético que lo produjo a primera instancia. En otras palabras, cuando un generador funciona en vacío, no existe corriente en el inducido y el flujo en el entrehierro está producido únicamente por la fuerza magnetomotriz del inductor. Si funcionando el generador en vacío, con una determinada corriente de excitación se cierra el circuito del inducido conectado una impedancia de carga a sus terminales, se obtiene una tensión V en terminales de la máquina inferior al valor que presentaba en vacío E0 . La reducción de la tensión de salida del generador se debe a la aparición de una corriente en el inducido que provoca una caída de tensión en este circuito, a la par que produce una fuerza magnetomotriz que reacciona con la del inductor modificando el flujo del entrehierro de la máquina. La caída de tensión en el circuito, se debe a la impedancia que presentan lo arrollamientos de este devanado. Por una parte existe la resistencia ra del bobinado (resistencia de armadura ), que provoca una caída de tensión muy pequeña (de 1 al 2% en los grandes generadores), y que en la mayoría de los casos es despreciable. Se debe considerar también, la reactancia del inducido, que se debe al flujo de dispersión del estator, que no interacciona con el flujo del rotor. Este flujo es el que se desarrolla en las cabezas de las bobinas (figura 60) y dentro de las ranuras donde se sitúa el devanado. Este flujo de dispersión permite definir un coeficiente de autoinducción L1, que multiplicado por la pulsación de la corriente, da lugar a la reactancia de dispersión dispersión del estator:
En esta reactancia tiene lugar la caída de la tensión inductiva de la máquina síncrona, cuya magnitud a plena carga puede alcanzar valores de 10-15% de la tensión asignada del inducido. Más difícil de analizar, es el efecto que provoca la fuerza magnetomotriz del inducido sobre la fuerza magnetomotriz del inductor, modificando el flujo del entrehierro de la máquina. Este fenómeno, como se dijo anteriormente, se conoce con el nombre de reacción de armadura o del inducido y sobre él tiene influencia tanto la magnitud como la fase de la corriente del estator. Cuando se trata de generadores trifásicos, las corrientes del inducido al circular por devanados desfasados 120° en el espacio producen una fuerza magnetomotriz de reacción que gira en el espacio a la velocidad de sincronismo, es decir, a la misma velocidad que el rotor. Esta fuerza magnetomotriz influye sobre la fuerza magnetomotriz producida por el devanado inductor y puede deformar, reducir o ampliar el campo de excitación de la máquina, dependiendo de la fase de las corrientes que recorren el inducido. Este fenómeno se representa por medio de una reactancia, que es una constante de proporcionalidad entre el voltaje y la corriente del estator o inducido y es llamada reactancia de reacción de armadura y se representa con xa. La reacción de armadura difiere en gran medida a partir de la magnitud de la corriente de armadura, así como, del factor de potencia.
Si las tres bobinas del estator se unen en un punto común (u2 = v2 = w2), formando una conexión que se denomina estrella y colocamos una carga por las mismas circulara una corriente que dependerá de las características de dicha carga (óhmica, óhmicainductiva, óhmica capacitiva), lo cual hará que la corriente este desfasada un cierto ángulo en atraso o en adelanto. Debido a esa corriente, en el estator se creara un campo magnético alternativo en cada una de las fases, los que al componerse dará origen a un campo magnético rotante que llamaremos reacción de armadura y que gira a la misma velocidad del rotor. En la figura 1 vemos la situación para una posición del rotor en la cual la bobina estatorica (u1 – u2), concatena el máximo flujo rotorico ya que sus ejes magnéticos son coincidentes. En esta situación, la fuerza electromotriz inducida en la mencionada bobina tiene un valor igual a cero, en cambio las otras dos tienen un valor mitad con los sentidos indicados (Punto “saliente” y cruz “entrante”). En el cual vemos que en la situación para t = 0, en la bovina (v1 – v2), la fem es negativa, o sea entrante (cruz), por el terminal “v1”, por lo que en el terminal “v2” va a ser saliente (punto), y en la bobina w1 – w2, es positiva o sea saliente (punto) por el terminal w1, y entrante (cruz) por el terminal w2. Pasemos a analizar lo que pasa con distintos tipos de carga en el estator.
Carga óhmica pura Con este tipo de carga la corriente va a estar en fase con la tensión en bornes de la máquina, lo cual hace que las corrientes sean entrantes y salientes, y coincidiendo su sentido con el indicado en la figura 2, en la cual la corriente en “u1 – u2”, tiene un valor igual a cero y en la bobina “v1 – v2” la corriente es entrante por “v1” (negativa) y saliente por “w1” (positiva). Debido a esto en el estator se produce un campo magnético rotante, como vimos anteriormente, cuya posición es la indicada en la figura, para el instante que se está estudiando. Podemos observar que el eje magnético del rotor y el eje magnético del campo rotante del estator están formando un ángulo de 90°. Esto hace que la tensión en bornes difiera de la fuerza electromotriz inducida, debido a que el campo en el entrehierro de la maquina no solo el producido por el rotor, sino que se compone con el de reacción de armadura.
Figura 1 Posición de los campos magnéticos del rotor y de reacción de armadura para carga óhmica pura
Figura 2 Valores instantáneos de las fem inducidas y las corrientes del estator para carga óhmica pura
Carga inductiva pura En la figura 3 y para la misma posición del rotor (t = 0), vemos cual es la situación de las corrientes en el estator, que en este caso tienen un ángulo de atraso de 90°. Debido a que en la bobina u1 – u2 , la fem inducida pasa por cero, la corriente que circula por la misma, para ese instante pasa por su valor máximo, mientras que en las otras dos bobinas su valor es la mitad y de signo contrario para que la suma de las tres sea igual a cero. En la figura 4 se observa el signo de las corrientes. En esta situación el campo magnético giratorio del estator tiene su posición indicada en la figura. De aquí se observa que las fuerzas magnetomotrices del rotor y de la armadura se oponen, lo cual nos está indicando que el efecto de esta última es netamente “desmagnetizante”.
Figura 3 Posición de los campos magnéticos del rotor y de reacción de armadura para carga inductiva pura
Figura 4 Valores instantáneos de las fem inducidas y las corrientes del estator para carga inductiva pura
Carga capacitiva pura En la figura 5 y para la misma posición del rotor, vemos cual es la situación de las corrientes en el estator, que en este caso tienen un Angulo de adelanto de 90°. Debido a que en la bobina u1 – u2 , la fem inducida pasa por cero, la corriente que circula por la misma, para ese instante pasa por su valor máximo, mientras que en las otras dos bobinas su valor es la mitad y de signo contrario para que la suma de las tres sea igual a cero. El sentido de las corrientes lo podemos obtener de la figura 6 En esta situación el campo magnético giratorio del estator tiene su posición indicada en la figura. De aquí se observa que las fuerzas magneto motrices del rotor y de la armadura se superponen, lo cual nos está indicando que el efecto de esta última es netamente “magnetizante”.
Figura 5 Posición de los campos magnéticos del rotor y de reacción de armadura para carga capacitiva pura
Figuran 6 Valores instantáneos de las fem inducidas y las corrientes del estator para carga capacitiva pura
Carga óhmico inductiva En la figura 7 y para la misma posición del rotor, vemos cual es la situación de las corrientes en el estator, que en este caso tienen un Angulo de atraso de 60°. Debido a que en la bobina u1 – u2, la fem inducida pasa por cero, los valores y sentidos de las corrientes se observan en la figura 8. En esta situación el campo magnético giratorio del estator tiene su posición indicada en dicha figura, en la que se observa que la misma es desmagnetizante y deformante.
Figura 7 Posición de los campos magnéticos del rotor y de reacción de armadura para carga óhmico-inductiva
Figuran 8 Valores instantáneos de las fem inducidas y las corrientes del estator para carga óhmica inductiva
Este efecto lo representamos para simplificar el análisis, mediante una reactancia de reacción de armadura, que nos representa la fuerza electromotriz inducida en el estator debido a las corrientes que circulan por el mismo, cuyo valor está dado por:
EFase estator = j XA I estator
Flujo disperso en los bobinados estatóricos Las bobinas del estator tienen también auto inductancia, con su correspondiente reactancia (función de la frecuencia de las corrientes que circulan por el mismo), lo que produce una variación de la tensión en bornes. Esta reactancia que representa el flujo disperso en el estator y la de reacción de armadura se engloban en lo que se denomina reactancia sincrónica de la máquina.
Resistencia óhmica de los bobinados Además las bobinas presentan resistencia óhmica, que depende de la longitud de las bobinas y de la sección efectiva de las mismas. Este conjunto de efectos hace que la tensión de la maquina cuando está suministrando potencia sea diferente a la que aparece en la misma cuando no circula corriente por el estator (En vacío). UF = EF – RS I - j XA I - j Xd I = EF – RS I - j XS De acuerdo a estas simplificaciones podemos representar la maquina mediante un circuito equivalente para una fase del mismo de acuerdo al esquema de la figura 9.
Figura 9 Circuito equivalente de un generador sincrónico
En funcionamiento en carga, habrá que considerar los siguientes factores: -Además del flujo de excitación, la circulación de corriente por el circuito inducido, origina la presencia de un flujo de reacción cuya posición espacial depende de las características de la carga acoplada a la salida de la máquina, resultando un flujo total
-La tensión *U* de salida no coincide, generalmente, con la f.e.m. generada debiendo considerar, además de las caídas de tensión óhmica e inductiva en el devanado inducido, la influencia en la relación de tensión que produce el flujo de reacción. Llamando Ec a la f.e.m. generada en carga y cuyo valor es función de la variación temporal de flujo total, se cumplirá:
Su representación fasorial, supuesta conectada a la salida una carga de carácter inductivo es
Después de estas consideraciones, podemos representar el diagrama de tensiones, f.m.m.s. y flujos completos.
De la ecuación de tensiones obtenemos el vector tensión U por diferencia entre la f.e.m. en carga Ec y la suma de la caída de tensión óhmica más la originada por el flujo disperso.
De la relación entre la f.m.m.s. podemos obtener la posición del vector F ex y con el la del flujo
