tRABAJO DE INVESTIGACION DOCUMENTAL

TEMA: Principios y análisis del generador síncrono

30 DE OCTUBRE DE 2015

PROFESOR: IME. CARLOS ANTONIO TURRIZA NAAL

MATERIA: MÁQUINAS ELÉCTRICASINGENIERÍA EN MECATRÓNICA

ALUMNOS: FRANCISCO JAVIER MASS LUNA ERICK ADRIAN CHACON SANTOS ERICK ALEJANDRO SANCHEZ ZAVALA

PRESENTACIÓN

Este documento forma parte del conjunto de reportes de investigación documental

que realizaron sus autores como producto del aprendizaje del tema de Principios y

análisis del generador síncrono de la asignatura de Maquinas eléctricas de la

carrera de Ingeniería en Mecatrónica.

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RESUMENEn este documento se presentan los objetivos, metodología, resultados, discusión

y conclusiones del trabajo de investigación documental realizado sobre el tema

Principios y análisis del generador síncrono de la asignatura de Maquinas

eléctricas de la carrera de Ingeniería en Mecatrónica que se imparte en el Instituto

Tecnológico Superior de Calkiní.

El generador síncrono o también llamado alternadores es un tipo de máquina

eléctrica rotativa capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica.

Funcionan bajo el principio en la que un conductor es sometido a un campo

magnético variable se crea una tensión eléctrica inducida cuya polaridad depende

del sentido del campo y su valor de flujo que lo atraviesa.

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ABSTRACTIn this document the objectives, methodology, results, discussion and conclusions

of the desk research conducted on the subject Principles and analysis of

synchronous generator of the subject of electric machines career in Mechatronics

Engineering taught at the Technological Institute presented higher Calkiní.

The synchronous generator or alternator is also called a type of rotating electric

machine capable of transforming mechanical energy into electrical energy.

They operate on the principle in which a conductor is subjected to a variable

magnetic field induced voltage whose polarity depends on the direction of the field

and value flow therethrough is created.

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ContenidoPRESENTACIÓN..................................................................................................................................1

RESUMEN...........................................................................................................................................2

ABSTRACT...........................................................................................................................................3

INTRODUCCIÓN..................................................................................................................................5

CAPÍTULO I.........................................................................................................................................6

OBJETIVOS Y METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN.....................................................................6

CAPÍTULO II........................................................................................................................................7

RESULTADOS..................................................................................................................................7

CAPÍTULO III.....................................................................................................................................15

CONCLUSIONES............................................................................................................................15

FUENTES BIBLIOGRÁFICAS...............................................................................................................16

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INTRODUCCIÓNEl Instituto Tecnológico Superior de Calkiní ha establecido un modelo educativo

con enfoque centrado en el aprendizaje, donde una de sus principales estrategias

de aprendizaje consiste en que sus alumnos lleven a cabo tareas de investigación

documental sobre alguno de los temas de los programas de las asignaturas que

cursan, a fin de que, además de reforzar el aprendizaje de esos temas, vayan

adquiriendo y reforzando habilidades de investigación documental, tales como la

identificación y selección de referencias documentales, el análisis y síntesis de

fuentes documentales y la elaboración de reportes de investigación utilizando la

computadora.

Para ello, el Instituto ha establecido como criterio de evaluación del aprendizaje,

en cada una de sus evaluaciones parciales, el evaluar a sus alumnos a través del

reporte de una investigación documental realizada sobre algunos de los temas

programados para cada una de las asignaturas que imparte.

Este documento es el producto de aprendizaje que se presenta como resultado de

la investigación documental que se llevó a cabo sobre el tema Principios y análisis

del generador síncrono para la segunda evaluación parcial de la asignatura

Maquinas eléctricas de la carrera de Ingeniería en Mecatrónica.

Los objetivos de la investigación fueron comprender y analizar el principio de

funcionamiento de una máquina síncrona como generador.

El presente documento está constituido por cuatro partes:

En la primera, se presentan los objetivos y metodología de la investigación

documental; en la segunda, los resultados obtenidos; en la tercera, las

conclusiones; y por último, una relación de las fuentes documentales utilizadas.

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CAPÍTULO I.OBJETIVOS Y METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN.

Objetivos:

Comprender el funcionamiento de los generadores síncronos

Analizar el funcionamiento de los generadores síncronos.

Analizar las partes que componen un generador síncrono.

Observar las diferentes áreas en las que se utilizan los generadores

síncronos.

Metodología:

La información presentada fue obtenida de diferentes fuentes bibliográficas, así

como, archivos electrónicos y opiniones de maestros que imparten la materia.

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CAPÍTULO II.RESULTADOS

El generador síncrono o también llamado alternadores 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 a esta igualdad de frecuencias se le denomina sincronismo. Los

generadores se construyen de diferentes modos para satisfacer diferentes cargas

y necesidades del cliente. Constan fundamentalmente del rotor y el estator, ambos

con devanados. Las necesidades del proceso a realizar determinaran cambios en

los tipos de conexión, procesos de producción y accesorios.

I. INTRODUCCION

El generador síncrono está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y

de una parte fija o estátor, 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 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

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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.

II. TIPOS DE CONSTRUCCION.

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

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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

compundaje, 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.

III. 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.

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I. GENERADOR SINCRONO CON POLOS SALIENTES EN EL ESTATOR

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.

II. GENERADOR SINCRONO CON POLOS SALIENTES 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.

Se utiliza este tipo de generadores, para gran potencia, por la

versatilidad que nos brinda.

III. GENERADOR SINCRONO SIN ESCOBILLAS

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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 que analizamos en el diseño uno, 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.

Devanados de armaduraHay distintas formas posibles de realizar un devanado de armadura para un

generador síncrono, pero la mayoría de ellas caen en dos tipos generales: (1)

devanados de capa sencillas y (2) devanados con doble capa. Un devanado

trifásico se forma agregando dos o más grupos de bobinas de armadura,

desplazadas 120° y 240° eléctricos con respecto a la primera bobina (fase) para

producir un sistema de tres voltajes iguales en magnitud y desplazados 120° uno

con respecto a otro, para producir un sistema de tres voltajes y una maquina

denominada generador trifásico.

Caídas de voltaje en el generador

Cuando se conecta una carga en las terminales de un generador, por ejemplo, si

se conecta en motor trifásico a estas, circula una corriente en el devanado de

armadura del generador, este devanado tiene una resistencia de armadura en

ohms/fase, esto da como resultado una caída de voltaje en la armadura

V A=I A R AVolts/ fase

Como las tres fases son completamente simétricas, las caídas de voltaje son las

mismas en las tres fases, por lo que los cálculos se pueden hacer por fase.

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Adicionalmente a la caída de voltaje resistiva hay una caída de voltaje reactiva

debida a la inductancia del devanado de armadura este valor es:

V X=I A X AV /Fase

Operación de un generador síncrono

Si empieza a forzar el imán para que gire (en lugar de dejar que la corriente de red

lo mueva) descubrirá que trabaja como generador, devolviendo corriente alterna a

la red (debería tener un imán más potente para producir mucha electricidad).

Cuanta más fuerza (par torsor) le aplique, mayor electricidad producirá, aunque el

generador seguirá girando a la misma velocidad, impuesta por la frecuencia de la

red eléctrica.

Puede desconectar completamente el generador de la red y construir su propia red

eléctrica trifásica, enganchando bombillas a tres bobinas arrolladas a

electroimanes (recuerde el principio de inducción eléctrica/magnética del manual

de referencia de este sitio web). Sin embargo, si desconecta su generador de la

red principal tendrá que accionarlo a una velocidad de giro constante para que

produzca corriente alterna a una frecuencia constante. Por lo tanto, con este tipo

de generador, normalmente querrá usar una conexión indirecta a red del

generador.

En la práctica, los generadores síncronos de imán permanente no son muy

usados. Hay varias razones para que así sea. Una ellas es que los imanes

permanentes tienden a desmagnetizarse al trabajar en los potentes campos

magnéticos en el interior de un generador. Otra de las razones es que estos

potentes imanes (fabricados a partir de tierras raras, como el neodimio) son

bastante caros, a pesar de que los precios han disminuido últimamente.

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Turbinas eólicas con generadores síncronos

Las turbinas eólicas que utilizan generadores síncronos suelen usar imanes en el

rotor alimentados por corriente continua de la red eléctrica. Dado que la red

suministra corriente alterna, hay que convertir la corriente alterna en corriente

continua antes de enviarla a las bobinas arrolladas a los electroimanes del rotor.

Los electroimanes del rotor están conectados a la corriente mediante escobillas y

anillos rozantes en el árbol (eje) del generador.

Factores que afectan el tamaño de las máquinas síncronas

Las grandes cantidades de energía generadas por las compañías eléctricas han

tomado con la debida seriedad la eficiencia de sus generadores, debido a que

entre mayor sea la eficiencia del generador mayores ingresos obtendrán. Por lo

que el tamaño del generador es de gran importancia para las compañías

suministradoras de energía eléctrica esto es porque entre mayor capacidad tenga

el generador, mayor será la eficiencia, así como los ingresos obtenidos

Por ejemplo, si un generador síncrono de 1 KW tiene una eficiencia de 50%, uno

de capacidad mayor, pero modelo similar teniendo una capacidad de 10 MW

inevitablemente tendrá una capacidad cercana a 90%.1

Si consideramos que entre mayor sea la capacidad de la máquina mayor será la

eficiencia de la misma al igual que la magnitud de las perdidas en forma de

calentamiento, teniendo que considerar el enfriamiento de los devanados. Entre

mayor sea la capacidad del generador, el sistema de enfriamiento será más

sofisticado y a su vez de un costo mayor, por lo que esta es la limitante principal

del tamaño del generador.

Sistemas de enfriamiento de la Máquina Síncrona

Toda máquina síncrona presenta una eficiencia menor al 100% debido a que se

presentan pérdidas, las pérdidas que se presentan en los conductores de los

devanados son en forma de calor. Este calor hace que la máquina aumente su

temperatura, tal aumento de temperatura determina la transmisión de calor de la

máquina al medio ambiente en forma de irradiación y parte en convección.

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Derivado de diferentes estudios de máquinas eléctricas es sabido que el

aislamiento de los devanados presenta deterioro por sobrecalentamiento, por lo

que la temperatura del generador debe ser monitoreada y limitada, de tal forma

que el devanado sufra el menor desgaste. Para el monitoreo de la temperatura de

los devanados de estator se hace uso de termopares en determinadas posiciones

y números embebidos en él. Con relación al sistema de enfriamiento, las

máquinas síncronas se pueden clasificar como siguen:

Ventilación natural: Aquellas en las cuales no se tiene ningún dispositivo

particular para aumentar la ventilación producida por los dispositivos en

movimiento de la misma máquina o de la circulación del aire externo.

Auto ventilación: Aquí la ventilación se da por dispositivos instalados en el rotor,

los cuales son capaces de activar el movimiento del aire proveniente del exterior o

de la misma máquina.

Ventilación forzada: El aire se lleva al interior del medio que contiene al

generador por medio de ventiladores externos

Ventilación en circuito cerrado: Se usa gas pesado como ventilante (aire o

hidrógeno) en contacto con las partes vivas, se hace circular por un circuito

cerrado por medio de ventiladores propios del generador.

Enfriamiento por líquido: El enfriamiento se lleva a cabo mediante la circulación

de líquidos o agua.

Enfriamiento mixto: Se presenta en turbo alternadores de potencia grande en los

cuales por uno de los devanados es enfriado por medio de circulación de líquido y

el otro es enfriado por gas circulante.

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CAPÍTULO III.CONCLUSIONES

El generador síncrono o también llamado alternadores es un tipo de máquina

eléctrica rotativa capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica. El

termino síncrono se refiere al hecho de la frecuencia eléctrica de la maquina esta

confinada, o sincronizada con, la tasa mecánica de rotación del eje.

La cualidad de los generadores síncronos es que la frecuencia y la velocidad van

juntas

Tenemos diferentes diseños dependiendo de las potencias que manejemos.

El diseño de polos salientes en el estator, es utilizado para generadores de gran

potencia, el inducido se encuentra en el estator, y no necesitamos sacar la tensión

generada, únicamente ingresar un voltaje mínimo para la excitación del campo.

El diseño del generador sin escobillas es mucho más complejo que los anteriores,

ya que la salida de este va a dirigirse hacia una placa electrónica, en la cual van a

encontrarse diferentes tipos de dispositivos, y este comandar el circuito de

excitación.

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FUENTES BIBLIOGRÁFICAS.

Máquinas Eléctricas Stephen Chapman Editorial Mc Graw Hill 3ra edición

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

http://www.inele.ufro.cl/apuntes

http://www.geindustrial.com.br/download/manuais/motores/espanhol

https://es.wikipedia.org/wiki/Generador_s%C3%ADncrono

http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/630/

A4.pdf?sequence=4

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