RESUMEN:
En el presente ensayo se trata de dar a conocer con detalle todo lo relacionado con el principio de funcionamiento, diseño y construcción de los generadores síncronos, sus ventajas y desventajas de los mismos, cuidados que se debe tener, aplicaciones etc.
En especial en este ensayo 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, síncrono.
Las maquinas de corriente alterna en especial los generadores cumple un gran papel en la vida diaria de toda la humanidad tienen un amplio rango de aplicaciones industriales, este tipos de maquinas son las más usadas por las múltiples ventajas, aplicaciones y beneficios
La energía eléctrica puede ser transportada y convertida en otras formas de energía en forma limpia y económica. La máquina sincrónica es hoy por hoy, el convertidor utilizado más ampliamente para realizar esta tarea.
Las maquinas síncronas son maquinas de gran utilidad ya que estas maquinas pueden cumplir 3 diferentes funciones:
a) Generadores o alternadores (es el tipo que estudiaremos en este ensayo)
b) Motores
c) Condensador rotativo o compensador síncrono
Comenzare este ensayo recordando que es un generador síncrono
Como se ah mencionado varias veces en clase un Generador Síncrono, es un tipo de máquina eléctrica rotativa capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica. Pero su nombre de síncrona se debe a la igualdad entre la frecuencia eléctrica como la frecuencia angular es decir el generador girara a la velocidad del campo magnético a esta igualdad de frecuencias se le denomina sincronismo
Pueden ser monofasicas o trifásicas, especialmente en aplicaciones de potencia
Los generadores síncronos funcionan bajo el principio de que en un conductor sometido a un campo magnético variable crea una tensión eléctrica inducida cuya polaridad depende del sentido del campo y su valor del flujo que lo atraviesa.
Esta máquina funciona alimentando al rotor o circuito de campo por medio de una batería es decir por este devanado fluirá CC. Mientras que en el estator o circuito de armadura la corriente es alterna CA.
Cuando un generador síncrono está sometido a carga, la tensión inducida sufre cambios por lo que se deberá utilizar equipos auxiliares que garanticen una óptima operación del mismo
Principio de funcionamiento
El principio de funcionamiento de un generador síncrono al igual que todos los generadores se basa en la ley de Faraday. Para crear tensión inducida en el circuito de armadura (estator), debemos crear un campo magnético en el rotor o circuito de campo, esto lo lograremos alimentado el rotor con una batería o cualquier fuente de tensión continua, este campo magnético inducirá una tensión en el devanado de armadura por lo que tendremos una corriente alterna fluyendo a través de el.
Al operar como generador, la 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 (o sea, está en una isla de potencia), 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.
Partes de un generador síncrono
A continuación se detalla las partes fundamentales que componen un generador síncrono, posteriormente se detallara las partes según el tipo de generador síncrono que sea, pero esta sección se mencionan los componentes fundamentales
Rotor o Campo del Generador Síncrono:
Es la parte de la máquina que realiza el movimiento rotatorio, constituido de un material 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.
Estator o Armadura:
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.
c) Regulador de Tensión (Avr):
El regulador automático de voltaje, proporciona una extinción al rotor, el rotor debe tener un campo magnético constante en cuanto a la dirección de sus líneas magnéticas (no en cuanto a intensidad del campo) y este se logra excitándolo con corriente directa (alterna rectificada) la corriente alterna generada por el generador, debe ser de una frecuencia constante 60hz; y para eso el rotor siempre gira a la misma velocidad independientemente de que carga este produciendo (se mide en megawatts) no en voltaje, como los requerimientos de carga (consumo de la energía producida) son variables, la generación de megawatts es variable a frecuencia y voltaje constante, si no tienes un regulador automático de voltaje (llamado AVR en ingles) esto no se puede lograr.
d) Regulador de Velocidad (Ras):
No hemos de confundir estos dispositivos con los reguladores de tensión de los alternadores, pues si bien actúan al unísono sobre el grupo, como elementos reguladores que son, sus funciones, aunque relacionadas, están perfectamente delimitadas.
Según lo manifestado hasta el momento, deducimos que todo regulador de velocidad es el mecanismo, de distinta índole, destinado a conseguir, en cualquier circunstancia, el equilibrio de los trabajos motor y resistente presentes en una turbina, manteniendo, sensiblemente constante, la velocidad de sincronismo del grupo ante todas las cargas solicitadas, protegiéndole, además, contra velocidades excesivas que pudieran surgir.
Como dato significativo diremos que si dispusiésemos de un motor Diesel sobre el cual no actuase ningún regulador de velocidad, se fragmentaría en pedazos, en el instante que quedase bruscamente sin carga.
Tipo de generadores de síncronos
Como ya lo había mencionado anteriormente el principio de funcionamiento del generador síncrono es el mismo, lo que cambia es la forma de construcción de los mismos, los tipos se explican a continuación
Polos salientes en el rotor
Este tipo de generador se caracteriza por rotor presenta expansiones polares que dan lugar a un entrehierro variable, además un punto importante que lo identifica es que cuentan con 2 anillos los cuales alimentan el debando de excitación
Se usan cuando la velocidad de giro no es muy elevada
polos salientes en el estator
El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas थ 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.
En este tipo de maquinas el numero de anillos depende de las fases para la cual fue diseñada la maquina
Sin escobillas
Un excitador sin escobillas es un generador de AC pequeño con un circuito de campo montado en el estator y un circuito de armadura montado en el eje del rotor
Un rectificador trifásico también montado en el eje permite que la salida sea rectificada a DC
Por medio del control de la pequeña corriente de campo DC, es posible ajustar la corriente de campo en la maquina principal sin anillos ni escobillas
Debido a que no presenta ningún contacto mecánico entre el rotor y el estator estas maquinas requieren mucho menos mantenimiento
Carcasa del Estator
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.
Armadura
La armadura consiste de un núcleo laminado soportado por una armazón con un arrollamiento trifásico. Fueron realizadas adaptaciones en la armazón para el montaje de la armadura en el eje del generador y para el montaje del convertidor en la armadura.
El núcleo laminado está compuesto por láminas de acero magnético de alta calidad
El arrollamiento de la armadura es formado por bobinas de campo arrolladas sin dirección
polos lisos (rotor cilíndrico)
El devanado de campo está distribuido en varias bobinas situadas en diferentes ángulos. Su uso principalmente radica cuando el rotor gira a gran velocidad
Sincronización de la maquina con la red
Se sincronizo la máquina con ayuda de un tablero de luces conectados en DARK, es decir, que la maquina quedara sincronizada hasta que las luces estén completamente apagadas, y en ese punto, se acciona el interruptor trifásico para dejar conectado el generador a la red eléctrica. Como muestra el siguiente circuito:
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 alcanzan 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
Curva de capabilidad de un generador de polos lisos
Curva de capabilidad de un generador de polos salientes
Como conclusiones a este ensayo se pueden mencionar las siguientes:
Las maquinas síncronas, es especial los generadores que fueron fruto de estudio en este ensayo son maquinas que brindan una gran ayuda la humanidad por las múltiples ventajas y aplicaciones
El generador sin escobillas debido a que no presenta ningún contacto mecánico entre el rotor y el estator estas maquinas requieren menos mantenimiento y bajos costos
Un punto clave las velocidad de la maquina recordando que para obtener 60 HZ si la maquina es de 2 polos debe girar a 3600rpm, si es de 4 polos a 1800 , si es de 8 polos a 900 y así en adelante
[1] Liwschitz-Garik "MAQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA", compañía editorial continental S.A 1974.
[2] Archivo pdf "maquinas síncronas" . Eugenio Téllez Ramírez, AP&C
[3] enlace de red "partes y diseño de una maquinas síncronas" segunda edición
UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA
DAVID VALENCIA
ECUADOR
Autor:
David Patricio Valencia Redrovan
Universidad Politécnica Salesiana
Cuenca – Ecuador