Tipos de generadores sincronos

Resumen

El generador síncrono (alternador) es un tipo de máquina eléctrica rotativa capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica. A estos también se los conoce como Máquinas Síncronas, la razón por la que se llama generador síncrono es la igualdad entre la frecuencia eléctrica como la frecuencia angular, es decir, el generador girara a la velocidad del campo magnético, por lo que a esta igualdad de frecuencias se le denomina sincronismo. Los generadores constan fundamentalmente del rotor y el estator, ambos con devanados.

Esta máquina funciona alimentando al rotor o circuito de campo por medio de una batería es decir por este devanado fluirá CC., mientras q en el estator o circuito de armadura la corriente es alterna CA.

Principalmente en este trabajo se hace un estudio profundo de los principales generadores síncronos como son el generador de polos salientes en el estator, el generador de polos salientes en el rotor, generador de polos lisos y el generador sin escobillas, sus formas, su construcción, cualidades de cada diseño etc.

PALABRAS CLAVE: polos, rotor, estator.

Introducción

El generador síncrono está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y de una parte fija o estator, el principio de funcionamiento de un generador síncrono se basa en la ley de Faraday. Para crear tensión inducida en el (estator), debemos crear un campo magnético en el rotor o circuito de campo, esto lo lograremos alimentado el rotor con una batería, este campo magnético inducirá una tensión en el devanado de armadura por lo que tendremos una corriente alterna fluyendo a través de él.

Al operar como generador, la energía mecánica es suministrada a la máquina por la aplicación de un torque y por la rotación del eje de la misma, una fuente de energía mecánica puede ser, por ejemplo, una turbina hidráulica, a gas o a vapor. Una vez estando el generador conectado a la red eléctrica, su rotación es dictada por la frecuencia de la red, pues la  frecuencia de la tensión trifásica  depende directamente de la velocidad de la máquina.

Para que la máquina síncrona sea capaz de efectivamente convertir energía mecánica aplicada a su eje, es necesario que el enrollamiento de campo localizado en el  rotor de la máquina sea alimentado por una fuente de tensión continua de forma que al girar el campo magnético generado por los polos del rotor tengan un movimiento relativo a los conductores de los enrollamientos del estator.

Debido a ese movimiento relativo entre el campo magnético de los polos del rotor, la intensidad del campo magnético que atraviesa los enrollamientos del estator irá a variar el tiempo, y así tendremos por la ley de Faraday una inducción de tensiones en las terminales de los enrollamientos del estator.

Debido a distribución y disposición espacial del conjunto de enrollamientos del estator, las tensiones inducidas en sus terminales serán alternas senoidales trifásicas.

La corriente eléctrica utilizada para alimentar el campo es denominada corriente de excitación. Cuando el generador está funcionando aisladamente de un sistema eléctrico, la excitación del campo irá a controlar la tensión eléctrica generada. Cuando el generador está conectado a un sistema eléctrico que posee diversos generadores interligados, la excitación del campo irá a controlar la potencia reactiva generada.

Tipos de construcción

La 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: excitatriz independiente de continua que alimenta el rotor a través de un juego de anillos rozantes y escobillas.

Excitatriz principal y excitatriz piloto: la máquina principal de continua tiene como bobinado de campo otra máquina de excitación independiente, accionada por el mismo eje.

Electrónica de potencia: directamente, desde la salida trifásica del generador, se rectifica la señal mediante un rectificador controlado, y desde el mismo se alimenta directamente en continua el rotor mediante un juego de contactores (anillos y escobillas). El arranque se efectúa utilizando una fuente auxiliar (batería) hasta conseguir arrancar.

Sin escobillas, o diodos giratorios: la fuente de continua es un rectificador no controlado situado en el mismo rotor (dentro del mismo) alimentado en alterna por un generador situado también en el mismo eje y cuyo bobinado de campo es excitado desde un rectificador controlado que rectifica la señal generada por el giro de unos imanes permanentes situados en el mismo rotor (que constituyen la excitatriz piloto de alterna).

Excitación estática: También llamada excitación por transformador de compoundaje, consiste en que el devanado de campo del rotor es alimentado desde una fuente de alimentación a transformador y rectificadores que toma la tensión y corriente de salida del estator. El transformador, de tipo especial, posee dos devanados primarios, llamados de tensión e intensidad, que se conectan en paralelo y en serie a los bornes de salida del estator. El transformador convierte la tensión de salida a una más baja (30V aprox), que se rectifica y aplica al rotor por medio de escobillas y anillos deslizantes. Es un sistema con autorregulación intrínseca, ya que al tener el bobinado serie, al aumentar el consumo sobre el generador, aumenta el flujo del transformador y por lo tanto aumenta la excitación del generador.

Partes de un generador síncrono

A continuación se detalla las partes fundamentales que componen un generador síncrono:

Fig 1: Partes del Alternador

• 1. Estator.

• 2. Rotor.

• 3. Sistema de enfriamiento.

• 4. Excitatriz.

• 5. Conmutador.

• ESTATOR

Parte fija de la máquina, montada envuelta del rotor de forma que el mismo pueda girar en su interior, también constituido de un material ferromagnético envuelto en un conjunto de enrollamientos distribuidos al largo de su circunferencia. Los enrollamientos del estator son alimentados por un sistema de tensiones alternadas trifásicas.

Por el estator circula toda la energía eléctrica generada, siendo que tanto la tensión en cuanto a corriente eléctrica que circulan son bastante elevadas en relación al campo, que tiene como función sólo producir un campo magnético para "excitar" la máquina de forma que fuera posible la inducción de tensiones en las terminales de los enrollamientos del estator.

La máquina síncrona está compuesta básicamente de una parte activa fija que se conoce como inducido o ESTATOR y de una parte giratoria coaxial que se conoce como inductor o ROTOR. El espacio comprendido entre el rotor y el estator, es conocido como entrehierro.

Esta máquina tiene la particularidad de poder operar ya sea como generador o como motor.

Su operación como alternador se realiza cuando se aplica un voltaje de c-c en el campo de excitación del rotor y a su vez éste es movido o desplazado por una fuente externa, que da lugar a tener un campo magnético giratorio que atraviesa o corta los conductores del estator, induciéndose con esto un voltaje entre terminales del generador.

Fig 3: Estator del Alternador

Los elementos mas importantes del estator de un generador de corriente alterna, son las siguientes:

• 1. Componentes mecánicas.

• 2. Sistema de conexión en estrella.

• 3. Sistema de conexión en delta.

Componentes mecánicas. Las componentes mecánicas de un generador son las siguientes:

• 1. La carcaza

La carcasa del estator está formada por bobinas de campo arrollados sin dirección, soportadas en piezas de polo sólidas. Las bobinas están ventiladas en su extremo para proporcionar de esta forma una amplia ventilación y márgenes de elevación de temperatura.

La carcasa del estator es encapsulada por una cubierta apropiada para proporcionar blindado y deflectores de aire para una correcta ventilación de la excitatriz sin escobillas.

• 2. El núcleo.

• 3. Las bobinas.

• 4. La caja de terminales.

Sistema de conexión en estrella. Los devanados del estator de un generador de C.A. están conectados generalmente en estrella, en la siguiente figura T1, T2, T3 representan las terminales de linea (al sistema) T4, T5, T6 son las terminales que unidas forman el neutro.

Fig 4: conexión en estrella

Sistema de conexión delta. La conexión delta se hace conectando las terminales 1 a 6, 2 a 4 y 3 a 5, las terminales de linea se conectan a 1, 2 y 3, con esta conexión se tiene con relación a la conexión estrella, un voltaje menor, pero en cambio se incrementa la corriente de linea.

Fig 4: conexión en delta

• ROTOR

Es la parte de la máquina que realiza el movimiento rotatorio, constituido de un material ferromagnético envuelto en un enrollamiento llamado de "enrollamiento de campo", que tiene como función producir un campo magnético constante así como en el caso del generador de corriente continua para interactuar con el campo producido por el enrollamiento del estator.

La tensión aplicada en ese enrollamiento es continua y la intensidad de la corriente soportada por ese enrollamiento es mucho más pequeño que el enrollamiento del estator, además de eso el rotor puede contener dos o más enrollamientos, siempre en número par y todos conectados en serie siendo que cada enrollamiento será responsable por la producción de uno de los polos del electroimán.

Fig 5: Rotor del Alternador

• Sistema de enfriamiento.

1. Generadores enfriados por aire:

Estos generadores se dividen en dos tipos básicos: abiertos ventilados y completamente cerrados enfriados por agua a aire.

Los generadores de tipo OV fueron los primeros construidos, el aire en este tipo de generadores pasa sólo una vez por el sistema y considerable cantidad de materias extrañas que pueden acumularse en las bobinas, interfiriendo la transferencia de calor y afectando adversamente al aislamiento.

Los generadores tipo TEWC, son un sistema de enfriamiento cerrado, donde el aire recircula constantemente y se enfría pasando a través del tubo del enfriador, dentro de los cuales se hace pasar agua de circulación. La suciedad y materias extrañas no existen en el sistema, y puesto que se tiene agua de enfriamiento disponible, la temperatura del aire puede mantenerse tan baja como se desee.

2. Generadores enfriados por hidrógeno:

Los generadores de mayor capacidad, peso, tamaño y los más modernos, usan hidrógeno para enfriamiento en vez de aire en circuito de enfriamiento cerrado.

El enfriamiento convencional con hidrógeno puede usarse en generadores con capacidad nominal aproximada de 300 MVA.

3. Generadores enfriados por hidrógeno / agua

Pueden lograrse diseños de generadores aun más compactos mediante el uso de enfriamiento con agua directo al devanado de la armadura del generador. Estos diseños emplean torones de cobre a través de los cuales fluye agua desionizada. El agua de enfriamiento se suministra vía un circuito cerrado.

Tipos de diseños

A continuación vamos a enumerar cuales son los tipos de diseños que se encuentran en la construcción de generadores síncronos. Estos son:

• De polos salientes en el estator

• De polos salientes en el motor

• Generador sin escobillas

Ahora vamos a proceder a analizar cada uno de estos, recalcando la utilidad y aplicación de cada uno de estos diseños.

Generador síncrono con polos salientes en el estator

Fig. 6. Generador con polos en el estator.

El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas  de acero al silicio (y se les llama "paquete"), que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los devanados proveen los polos magnéticos.

La particularidad de este tipo de generador es que tiene el inducido en el rotor, esta configuración es propia de máquinas de baja y media velocidad y potencia, hasta 1000 rpm.

Por tal razón para poder sacar la tensión producida, necesitamos de un sistema de colector de anillos. El número de anillos a utilizar va a depender directamente del número de fases con la que nos encontremos trabajando.

Generador síncrono con polos salientes en el rotor

Fig. 7. Generador con polos en el rotor

Este generador a diferencia del anterior tiene el inducido en el estator, por tal razón no necesitamos un mecanismo de colector de anillos para extraer la tensión generada ya que esta va a encontrarse en la parte externa de la máquina, necesitaríamos únicamente un par de anillos, con la finalidad de ingresar el voltaje de campo, pero esto es de gran ayuda ya que el voltaje de campo es considerablemente más pequeño que la tensión generada, por tal razón este par de anillos van hacer de medidas pequeñas, y así mismo las escobillas no tendrían un tamaño mayor.

Fig. 5. Polos salientes en el rotor

Se utiliza este tipo de generadores, para gran potencia, por la versatilidad que nos brinda.

Generador síncrono sin escobillas

Fig. 5. Generador sin escobillas

Este tipo de generadores son de mediana potencia, para la excitación podríamos tener un banco de baterías que sería de respaldo, la excitatriz podría ser un alternador, es decir un generador síncrono con polos salientes en el estator, luego de esta etapa, sale a una placa electrónica en donde por medio de dispositivos electrónicos, se envía al circuito de excitación del generador principal. Para realizar reparaciones en este tipo de generadores, es necesario saber sobre dispositivos electrónicos, y centrarse en el controlador.

Fig. 5. Alternador sin escobillas

Debido a que no presenta ningún contacto mecánico entre el rotor y el estator estas maquinas requieren mucho menos mantenimiento.

Conclusiones

• El generador síncrono consta de una igualdad entre la frecuencia eléctrica y la frecuencia angular, es decir, el generador girara a la velocidad del campo magnético a esta igualdad de frecuencias se le denomina sincronismo.

• El diseño de polos salientes en el estator, tiene la condición que cuenta con el inducido en el rotor, es decir en la parte que se mueve, de aquí que es necesario la utilizacion de anillos, y estos van a depender del numero de fases.

• El diseño de polos salientes en el estator, es utilizada para generadores de gran potencia, el inducido se encuentra en el estator, y no necesitamos sacar la tension generada, unicamente ingresar un voltaje minimo para la excitación del campo.

• El diseño del generador sin escobillas es mucho mas complejo que los anteriores, ya que la salida de este va a dirijirse hacia una placa electronica, en la cual van a encontrarse diferentes tipos de dispositivos, y este comandar el circuito de excitación.

Referencias

[1] Stephen Chapman. Máquinas Eléctricas. Editorial Mc- Graw Hill. 3ra edición. 2003

[2] Téllez Ramírez Eugenio. Maquinas síncronas.

[3] Murillo Huber. Diapositivas de Clase de Máquinas Eléctricas II. UNAC – FIEE. 2010.

[4] http://www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/ capitulo/8448141784.pdf

[5]http://www.geindustrial.com.br/download/manuais/motores/espanol

Autor:

José Sarango Chamba

Universidad Politécnica Salesiana

Máquinas Eléctricas II