Generadores síncronos (página 2)

3. PARTES DE UN
GENERADOR SINCRONO

De manera fundamental, el alternador está
compuesto por las siguientes partes:

a) 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.

Fig 1: Rotor del
Alternador

b) 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.

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 2: Armadura del
Alternador

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.

Es elevado el número de las distintas marcas y
tipos de reguladores automáticos instalados en las
centrales hidráulicas, por destacadas casas constructoras,
especializadas en la fabricación y montaje de los
mismos.

Estimamos que hacer un estudio detallado de cada uno de
ellos sería una labor ardua por nuestra parte, y tediosa
para el lector, al tener que seguir un texto con exhaustivas
explicaciones descriptivas de los distintos elementos,
componentes y los interminables, e inevitables, párrafos
sobre el modo de operar de los mismos.

Por ello recomendamos a las personas interesadas en el
tema que una vez estudiado lo que aquí se expone, se
informen y documenten en la central correspondiente, sobre el
tipo de regulador que se encuentra instalado en la misma, y
realicen el estudio oportuno siguiendo los planos descriptivos y
las normas al respecto.

Tengamos presente que determinadas industrias, para el
funcionamiento de sus complicadas instalaciones, requieren un
suministro de energía eléctrica con unos valores
muy exactos de la frecuencia y de la tensión. Por lo
tanto, los reguladores deben de responder a unas exigencias de
sensibilidad, estabilidad y seguridad muy precisas.

4. CIRCUITO
EQUIVALENTE MONOFASICO DE UN GENERADOR SINCRONO

El circuito monofásico equivalente de un
Generador Síncrono viene representado en la siguiente
figura:

Fig. 3: Circ. Equivalente
Monofásico del GS

De este circuito, solo nos centraremos en el circuito de
armadura, en la cual se tienen tres cantidades que son
fundamentales en el comportamiento del GS, las cuales
son:

Para determinar estos valores se realizan principalmente
tres pruebas, la prueba resistencia de armadura, la prueba de
vacío y la prueba de cortocircuito.

a) Prueba de Resistencia de
Armadura:

Esta prueba consiste en hacer uso de una fuente de
corriente continua en cada fase de la armadura, aplicando el
método del Voltio-Amperimétrico, como se muestra en
la figura:

Fig. 4: Conexión de la Prueba
de Resistencia de Armadura

De cuyas mediciones se obtiene
que:

• para conexión Y.

• para conexión (.

Cabe mencionar que si la prueba se realiza con corriente
continua, el valor de la resistencia obtenida debe ser ajustada,
en primer lugar por temperatura (a temperatura de trabajo), y
posteriormente por efecto skin, para finalmente obtener el valor
de la resistencia n corriente alterna.

b) Prueba de
Vacío:

Esta prueba consiste, como dice su nombre, en colocar el
Generador en vacío, es decir sin carga alguna en sus
bornes, haciéndola girar a su velocidad nominal y con
corriente de campo igual a cero.

Al ir aumentando gradualmente el valor de la corriente
de campo, se obtienen diversos valores de y ya que la corriente que circula por la
armadura siempre será cero debido que se encuentra en vacío, se
obtendrá que

Gracias a ésta prueba, con los valores obtenidos,
se puede formar "La curva de Características de
Vacío" que
permite encontrar la tensión interna generada por una
corriente de campo dada.

Fig. 5: Curva de las
Características de Vacío

Se debe notar que en un principio, la curva es
prácticamente una recta, esto es debido a que al inicio la
fuerza magnetomotriz se ejerce en el entrehierro, y el incremento
de la corriente de campo es casi lineal.

c) Prueba de Cortocircuito:

Finalmente se tiene la prueba de cortocircuito, el cual
consiste en llevar nuevamente la corriente de campo a cero, para
luego cortocircuitar los bornes del generador y proseguir a ir
incrementando la corriente de campo, obteniéndose la
siguiente gráfica.

Fig. 6: Curva de
Características de Cortocircuito

Se observa que al contrario de la curva en vacío,
en esta prueba se obtiene una recta, esto es debido a que los
campos magnéticos que se generan al conectar la armadura
en cortocircuito, prácticamente se anulan, produciendo un
campo neto pequeño como se muestra en el diagrama fasorial
siguiente; provocando que la máquina no se sature,
obteniendo así la recta de la gráfica:

Fig. 7: Diagrama Fasorial de
Campos

Posteriormente, con los datos de las dos gráficas
obtenidas, para un valor de corriente de campo dada, se tiene
que:

Entonces, haciendo uso del valor de la
resistencia: ; ya
que generalmente se
puede asumir que

Por último, hay que tener en cuenta que estas
ecuaciones son aplicables hasta el punto de saturación de
la curva d vacío, ya que después, los valores
obtenidos en las ecuaciones son aproximados.

d) Otras Pruebas:

Como complemento, es dable decir que a los
GS se les debe someter a otras pruebas, entre las cuales
tenemos:

• Prueba de Aislamiento: Mide el
  aislamiento entre las bobinas y, entre las bobinas y la
  carcaza.

• Prueba de Calentamiento: Mide
  la temperatura de trabajo del generador a plena
  carga.

• Pruebas bajo Carga Resistiva,
  Inductiva, Capacitiva y Mixta

5.
CARACTERISTICAS DE LOS GENERADORES SINCRONOS BAJO
CARGA

La diferencia de funcionamiento en vacío al de
carga es que existe una composición de flujos, debido a
las corrientes que circulan en el inducido, éstas alteran
el valor y forma de la tensión inducida.

Un incremento de carga es un incremento en la potencia
real o la reactiva suministrada por el generador. Tal incremento
de carga aumenta la corriente tomada del generador. Si no
cambiamos la resistencia de campo, la corriente de campo se
mantiene constante, y por tanto, el flujo (
también es constante.

Además, si el motor primario mantuviera su
velocidad ( constante, la magnitud del voltaje interno
generado también sería
constante.

Fig. 8: Esquema del GS bajo
carga

Supongamos un generador síncrono reducido a su
mínima expresión: monofásico, bipolar, una
espira, y en los siguientes estados de carga:

a) Carga inductiva pura

En este caso los flujos aparecen en sentido contrario.
Produciendo un efecto desmagnetizante, es decir que los flujos se
restan; y además produciendo que los polos inducidos de
igual nombre estén enfrentados.

Fig. 9: Esquema del GS y resta de
flujos

supongamos que colocamos una carga con una f.d.p. en
atraso y le adicionamos otra con el mismo f.d.p.; podemos
observar que el valor de aumenta pero mantiene el mismo ángulo de
desfase con respecto a entonces tenemos un incremento en el valor de
que como ya dijimos
antes, debe conservar el mismo ángulo de desfase con
respecto a y ya que
el valor de es
constante, entonces se produce una disminución en el valor
de tal como se
muestra en el siguiente diagrama fasorial.

Fig. 10: Diagrama Fasorial del GS con
Carga Inductiva

b) Carga resistiva

El flujo producido por los polos del rotor y el producido por las
corrientes del inducido están desfasados. Generando así
una distorsión del campo resultante.

Fig 11: Esquema del GS y desfasaje de
flujos

Si tuviéramos un generador síncrono con
una carga resistiva, le aplicamos otra con el mismo f.d.p.
(f.d.p.=1), y teniendo en cuenta las mismas restricciones que en
el caso anterior, podemos observar en el diagrama fasorial que el
valor de decrece
ligeramente.

Fig. 12: Diagrama fasorial del GS con
Carga Resistiva

c) Carga capacitiva pura

En este caso los flujos tienen igual sentido. Dando como
consecuencia un efecto magnetizante, es decir que los flujos se
van a sumar; y los polos inducidos contrarios
enfrentados.

Fig 13: Esquema del GS y suma de
flujos

Del mismo modo que en los casos anteriores, si colocamos
una carga con f.d.p. en adelanto, y le agregamos otra con el
mismo f.d.p. notamos que el valor de se incrementa realmente, es decir se produce un
aumento de la tensión en sus terminales, tal como vemos en
el diagrama fasorial.

Fig.14: Diagrama Fasorial del GS con
Carga Capacitiva

d) Carga R-L

En este caso los flujos están desfasados un
ángulo que depende de la carga del generador; en
consecuencia se produce un efecto desmagnetizante, la suma
vectorial de los flujos es menor; y los polos de igual nombre
enfrentados, se rechazan apareciendo un momento
resistente.

Fig 15: Esquema del GS y suma
vectorial de flujos

6. REGULACION DE
TENSION DE UN GENERADOR SINCRONO

Una manera conveniente de comparar el
comportamiento de los voltajes de los generadores
síncronos es mediante su regulación de voltaje, que
viene definida por la ecuación:

Donde es
el voltaje del generado en vacío y es el voltaje a plena carga del generador.
Un generador síncrono que opera con factor de potencia en
atraso tiene una regulación de tensión positiva muy
grande; si opera con f.d.p. unitario, tiene una regulación
positiva muy pequeña, y si opera a f.d.p. en adelanto
tiene, regulación de voltaje negativo.

7.
OPERACIÓN EN PARALELO:

En la actualidad es raro encontrar la existencia de un
alternador único que de manera aislada alimente su propia
carga. Esto sólo se lo puede encontrar en aplicaciones
tales como los generadores de emergencia.

Con objeto de aumentar el rendimiento y fiabilidad del
sistema, las diferentes centrales están conectadas entre
sí en paralelo, por medio de líneas de transporte y
distribución. La red así constituida representa un
generador gigantesco en el que prácticamente la
tensión y la frecuencia se mantienen
constantes.

Esto se debe a que sobre esta gran red, la
introducción de un nuevo generador no altera los
parámetros básicos anteriores, por representar una
potencia muy reducida frente al conjunto total.

a) Resumen de Reglas para poner en paralelo a los
GS:

Tener varios generadores incrementa la confiabilidad del
sistema de potencia, debido a que la falla de cualquiera de ellos
no causa la perdida tola de potencia en la carga

Tener varios generadores que operan en paralelo permite
la remoción de uno o más de ellos para cortes de
potencia y mantenimientos preventivos

Se utiliza un solo generador y este opera cerca de plena
carga, entonces será relativamente ineficiente. Con varias
maquinas más pequeñas trabajando en paralelo, es
posible operara solo una fracción de ellas. Las que
están operando lo hacen casi a plena carga y por lo tanto
de manera más eficiente.

La figura 16 muestra
un generador síncrono G1 que suministrar potencia a una
carga con otro generador G2 a punto de conectarse en paralelo con
G1 por medio del cierre del interruptor S1.

Si el interruptor se cierra de manera arbitraria en
cualquier momento, es posible que los generadores se dañen
severamente y que la carga pierda potencia. Si los voltajes no
son exactamente iguales en cada uno de los generadores que se
conectan juntos, habrá un flujo de corriente muy grande
cuando se cierre el interruptor. Para evitar este problema, cada
una de las tres fases debe tener exactamente la misma magnitud de
voltaje y ángulo de fase que el conductor al que se
conectara. En otras palabras, el voltaje de fase a debe ser
exactamente igual al voltaje en la fase a" y así en forma
sucesiva para las fases b-b` y c-c`. Para lograr esto se deben
cumplir las siguientes condiciones de puesta en
paralelo:

• Deben de ser iguales los voltajes de
  línea rms.

• Los dos generadores deben tener la misma
  secuencia de fase.

• Los ángulos de fase de los dos fases
  deben de ser iguales.

• La frecuencia del generador nuevo, llamado
  generador en aproximación, debe ser un poco mayor que
  la frecuencia del sistema
  en operación.

Fig. 16: Generador que se conecta en
paralelo con un sistema de potencia
en operación

Estas condiciones de puesta en paralelo requieren
ciertas explicaciones. La condición 1 es obvia: para de
dos grupos
de voltajes sean idénticos, deben tener la misma magnitud
de voltaje rms.

Los voltajes en las fases a y a" serán
completamente idénticos en todo momento si ambas
magnitudes y sus ángulos son iguales, lo que explica la
condición.

Fig. 17: Esquema de secuencia de
fases.

La condición 2 asegura que la secuencia en la que
el voltaje de fase llegue a su pico en los dos generadores sea la
misma. Si la secuencia de fase es diferente en la figura 2a
entonces aun cuando un par de voltajes (los de fase a)
estén en fase, los otros dos pares de voltajes
estarán desfasados por 120º. Si se conectan los
generadores de esta manera, no habrá problema con la fase
a, pero fluirá enormes corrientes en las fases b y c, lo
que dañara ambas maquinas.

b) Procedimiento general para conectar generador en
paralelo:

• Primero: utilizando voltímetros se
  debe ajustar la corriente de campo del generador en
  aproximación hasta que su voltaje en los terminales
  sea igual al voltaje en línea del sistema en
  operación.

• Segundo, la secuencia de fase del generador
  en aproximación se debe comparar con la secuencia de
  fase del sistema en operación.

Existen muchas forma de comprobar esto una de ellas es
conectar alternativamente un pequeño motor
de
inducción a los terminales de cada uno de los dos
generadores. Si el motor gira en la misma
dirección en ambas ocasiones, entonces, entonces la
secuencia de fase es la misma en ambos generadores. Si el motor
gira en direcciones opuestas, entonces las secuencias de fase son
diferentes y se deben invertir dos de los conductores del
generador en aproximación.

Otra manera simple es el método
de las tres lámparas incandescentes, la operación
comienza arrancando la maquina por medio del motor primario
(turbina, diesel, etc.) teniendo en cuenta que deben prender y
apagar al mismo
tiempo las tres lámparas esto indica que existe la
misma secuencia de fase, si prenden y apagan muy rápido
esto es debido a que tiene diferentes frecuencias esto se arregla
subiendo la
velocidad del primario motor, esto se hace aumentando el
flujo con el reóstato de campo, si prenden y apagan en
desorden esto indica que no tienen la misma frecuencia de fases
esto se hace intercambiando la secuencia de fases del alternador
hacia la red.

Fig. 18: Esquema de secuencia de
fases

8. CURVAS DE
CAPACIDAD DE UN GENERADOR SINCRONO

Las curvas de capacidad son unas curvas de potencia que
nos muestran los límites de calentamiento del rotor y del
estator, asumiendo que la tensión en bornes se mantiene
constante y que Para explicar cómo se que se obtienen
estas curvas, tenemos el siguiente diagrama fasorial de un
generador con FP en atraso y a tensión nominal.

Fig. 19: Diagrama
Fasorial

En primer lugar notese que se ha colocado unos ejes en
el extremo de A
continuación multiplicamos estos valores por el factor
con la finalidad de
cambiar la escala de los ejes a unidades de potencia, y de esta
manera obtenemos un nuevo diagrama fasorial.

Fig. 20: Nuevo Diagrama
Fasorial

En este nuevo diagrama hay que notar que el origen del
diagrama fasorial se encuentra en el punto además que la
longitud correspondiente a sobre el diagrama vine dado por y también que la
proyección de es el valor de S. Por último
hay que señalar que la curva de capacidad, es un dibujo de
P vs Q, en la cual el límite del circuito de armadura
viene dado por una circunferencia con centro en el origen y con
radio "S"; y el límite de campo es una
circunferencia con centro en Q" y radio

Fig 21: Curvas de Capacidad del
GS

BIBLIOGRAFIA

• Máquinas Eléctricas

Stephen Chapman

Editorial Mc Graw Hill

3ra edición

• Guía de Laboratorio de Máquinas
  Eléctricas III

UNAC – FIEE

Ing. Huber Murillo

Año 2010

• Diapositivas de Clase de Máquinas
  Eléctricas III

UNAC – FIEE

Ing. Huber Murillo

Año 2010

• http://electromntto.blogspot.com/2009/03/otras-tecnicas-de-mantenimiento.html

Autor:

Aguilar Rios, Edgar A.

Aprile Rodríguez, Juan
P.

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE INGENIERÍA
ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA
ELÉCTRICA

CURSO: LIDERAZGO Y RELACIONES
HUMANAS