Santiago Antonino Diego
Transformador desfasador y maquina síncrona
Transformador Existen varios tipos de transformadores. El transformador más común es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario. Existen muchos tipos de transformadores, entre los cuales el transformador trifásico tiene una importancia indudable. Este tipo de transformador se ocupa tanto en generación cerca de los generadores para elevar la insuficiente tensión de estos, así como también en transmisión por líneas de transmisión y en distribución en donde se transporta la energía eléctrica a voltaje menores hacia casas, comercio e industria. Todos los transformadores desde la generadora hasta la entrada de nuestros hogares o industrias son transformadores trifásicos. Un transformador trifásico consta de tres fases desplazadas en 120 grados, en sistemas equilibrados tienen igual magnitud. Una fase consiste en un polo positivo y negativo por el que circula una corriente alterna. No es necesario decir que un transformador no funciona con corriente continua, puesto que para que exista un voltaje V debe haber una variación del flujo. V = N dΦ/dt donde N es el número de espiras del lado de alta o baja tensión del transformador. El término dΦ/dt es una derivada del flujo, o en términos simples la variación del flujo magnético. Faraday demostró en el siglo XVIII que si se acerca un imán a una bobina moviendo el imán o la bobina se induce una corriente y produce un voltaje los cuales pueden hacer trabajo como encender una bombilla. Transformadores desfasadores Es un dispositivo para controlar el flujo de energía a través de líneas específicas en una red de transmisión de potencia compleja, la función básica de este tipo de transformador, es cambiar el ángulo de entrada y el de salida sin alterar el valor del voltaje eficaz, controlando así la cantidad de potencia real de salida. Los transformadores para uso como desfasadores ayudan a regular de forma óptima el flujo de carga entre las redes o segmentos de redes. De este modo, la compañía eléctrica controla los costes para la transmisión de corriente así como el grado de utilización de su infraestructura. Con la ampliación de energías renovables, en muchos sitios las redes de transmisión llegan a su límite. Una de las posibilidades para evitar cuellos de botella es la distribución de las cargas en trazados
paralelos –y como consecuencia del mercado de corriente europeo liberalizado a menudo también más allá de las fronteras del propio país–. La seguridad de suministro aumenta y con ello disminuye el riesgo de blackouts o apagones eléctricos, al tiempo que se minimizan las caras ampliaciones de redes. Para la distribución de la carga, el transformador para uso como desfasador modifica según la necesidad el ángulo de fase entre el lado primario y el lado secundario del transformador. El cambiador de tomas utilizado debe poseer muchos escalones y funcionar con potencias muy elevadas. Cuanto más precisa se escalone la potencia activa, más operaciones deberán llevarse a cabo. A menudo, el cambiador de tomas para el transformador para uso como desfasador se adapta especialmente a los correspondientes requisitos. Maquina Síncrona Una máquina síncrona es una máquina eléctrica rotativa de corriente alterna que convierte energía eléctrica en energía mecánica, siendo en este caso utilizada comomotor síncrono, o bien convierte energía mecánica en energía eléctrica, siendo en este caso utilizada como [[generador síncrono], o sin carga como compensador sincrono. Las máquinas síncronas se utilizan en mayor medida como generadores de corriente alterna que como motores de corriente alterna, ya que no presentan par de arranque y hay que emplear diferentes métodos de arranque y aceleración hasta la velocidad de sincronismo. También se utilizan para controlar la potencia reactiva de la red por su capacidad para, manteniendo la potencia activa desarrollada constante, variar la potencia reactiva que absorbe o cede a la red.
Controlando la frecuencia del voltaje generado en una MS Otro parámetro que se puede controlar (en efecto, se hace), es la velocidad de giro del rotor de la máquina. Cuando se habla de sincronismo se refiere a que la velocidad de giro del rotor depende exclusivamente de la frecuencia de las corrientes en el estator, así como la frecuencia de los voltajes inducidos en el estator dependerán exclusivamente de la velocidad de giro del rotor. Es decir, la relación entre ambas es constante y fija en las máquinas sincrónicas, aunque esta pueda girar a cualquier velocidad. Lo importante es que siempre se mantendrá esa relación, opere como motor o generador.
Sin embargo, debido a que la aplicación típica de las máquinas sincrónicas es utilizarlas como generadores, se hace entonces necesario que la velocidad de giro sea controlada, para que de este modo la frecuencia del voltaje que se genera, también sea controlada. Si se pretende conectar una máquina sincrónica a una red alterna, las frecuencias en ambas deben ser iguales. Cuando una máquina entra a formar parte de un sistema (conectándola a la red eléctrica como motor o como generador), para mantener la velocidad, el equilibrio de potencias, entrando y saliendo (mecánica y eléctrica), se debe mantener del mismo modo en el que se debería balancear la entrada y la salida con una máquina única. En un sistema hay restricciones adicionales. Este pequeño detalle operativo determina que la velocidad de giro de todas las máquinas conectadas a una red eléctrica común deba quedar automáticamente fija también en una referencia común. En Mexico, la frecuencia de referencia es 60Hz. Al producirse una variación en la carga (algo que ocurre constantemente, cada vez que se prende o se apaga un bombillo, por ejemplo), el equilibrio entrada-salida de todo el conjunto se altera y esto se refleja en una variación de la frecuencia, alejándola del valor de referencia. Para corregir las desviaciones se hace necesario corregir la diferencia entre la entrada y la salida de potencia, de modo de recuperar el balance y la velocidad de giro original. Si la demanda de potencia eléctrica aumenta (se conectan cargas adicionales) es necesario aumentar la entrada de potencia mecánica hasta igualarla al nuevo requerimiento. Si, por el contrario, la demanda se reduce (se desconecta carga), entonces hay que reducir la entrada de potencia mecánica. En su esencia, el control de la velocidad de giro de las máquinas (frecuencia) se basa en mantener el equilibrio de potencias que entran y salen del conversor de energía (máquina). Utilizando una válvula para controlar el paso (caudal) del fluido de trabajo hacia una turbina es como se procuran mantener en un valor fijo la velocidad de giro y la frecuencia de la máquina sincrónica. Este es el principio de funcionamiento del control automático de generación (AGC por sus siglas en inglés) que adecúa la velocidad de giro y la frecuencia de los voltajes controlando la entrada de potencia mecánica, a través del eje de rotación del generador (máquina sincrónica).
Cómo arrancar una máquina sincrónica Echar a andar (girar) el rotor de una máquina sincrónica significa llevarla desde cero RPM a 3600 RPM, en un instante de tiempo (suponiendo que tiene un par de polos), mientras pasa el vector rotatorio por el entrehierro y arrastra al imán. Tremenda fantasía; a menos que la masa del electroimán fuera cero, no es posible semejante variación de velocidad en ese instante. Posiblemente el rotor comience a vibrar, pero no logra arrancar.
Un procedimiento de arranque puede consistir en conectar un motor de inducción al eje de la máquina sincrónica, para que éste arranque el rotor y lo lleve hasta una velocidad cercana a la sincrónica (un pequeño deslizamiento). Luego, el rotor se energiza (la excitatriz) y se completa el emparejamiento de la velocidad. Por supuesto que esta maniobra no es sencilla ni barata, el motor de inducción es parte del conjunto y sigue dando vueltas, arrastrado por el motor. Por esta razón, los motores sincrónicos no son muy comunes, al menos en aplicaciones en las que tiene que arrancar y detenerse como parte del ciclo de trabajo. Cuando se trata de un generador la cuestión es mucho más sencilla. Considerando que la energía en este caso entra en forma mecánica por el rotor y sale en forma eléctrica por el estator, lo que hay que hacer es arrancar el eje motriz del generador (motor de combustión, turbina de agua, vapor o gas, etc.), hasta que el conjunto alcance la velocidad sincrónica (frecuencia eléctrica igual a la de la red). En este momento, igualdad de frecuencias y de voltajes, se realiza la maniobra conocida como “sincronización”: se conectan los bornes de la máquina a la red. Curva de Capabilidad La curva de capabilidad de un generador se deriva de manera simplificada sin tomar en cuenta el efecto de saturación y despreciando la resistencia y capacitancia en los devanados. Cuando la máquina síncrona opera en sus valores nominales, es decir; valores a los cuales los devanados y el núcleo alcanza la temperatura de régimen de diseño, se obtienen las fronteras de la región de operación dentro de la cual la máquina no sufre daño ni envejecimiento prematuro.
