INTRODUCCION

El presente trabajo grupal cuyo tema es de Generadores Síncronos, trata las partes

principales de su funcionamiento, así como sus características de construcción,

mencionando también en detalle los parámetros básicos de su fundamento teórico.

también se toca el punto de arreglo de generadores con turbinas, se incluyen muchos

gráficos que explican con detalle las partes constructivas del generador asíncrono.

También hablamos del funcionamiento del generador asíncrono con carga, su

transferencia de potencia y su puesta en servicio con una barra infinita y hablamos de las

condiciones que se tiene que tener para poner en sincronismo dos generadores síncronos

GENERADORES SÍNCRONOSDefinición:

El Generador Síncrono, o también llamado Alternador, es un tipo de máquina eléctrica rotativa capaz de transformar energía mecánica (en forma de rotación) en energía eléctrica.

Son los encargados de generar la mayor parte de la energía eléctrica consumida en la red, y su respuesta dinámica resulta determinante para la estabilidad del sistema después de una perturbación. Por ello, para simular la respuesta dinámica de un sistema eléctrico es imprescindible modelar adecuadamente los generadores síncronos. Es capaz de convertir energía mecánica en eléctrica cuando opera como generador y energía eléctrica en mecánica cuando operada como motor.

Los GS 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.

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.

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. 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.

Utilización:

Un generador consiste en una espira de cable que gira en el interior de un imán. El imán se denomina estator y la espira rotor. Ya sabemos que un elemento conductor, recorrido por una corriente eléctrica, genera a su alrededor un campo magnético. De la misma manera, el magnetismo también puede crear electricidad.

Tipos de Generadores Síncronos:

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:

1. 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.

Los elementos mas importantes del estator de un generador de corriente alterna,

son las siguientes:

A. Componentes

mecánicas.

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.

El núcleo.

Las bobinas.

La caja de terminales.

B. 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 línea (al sistema) T4, T5, T6 son las terminales que

unidas forman el neutro.

C. Sistema de conexión en delta.

La conexión delta se hace conectando las terminales 1 a 6, 2 a 4 y 3 a

5, las terminales de línea 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 línea.

2. 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.

3. Sistema de enfriamiento.

3.1. 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.

3.2. 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.

3.3. 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.

4. Excitatriz.

5. Conmutador.

Formas de

Construcción del

RotorLa forma de construcción del rotor producen características que influyen en el

funcionamiento del sistema.

Maquinas de polos salientes.

Rotor de polos salientes o con saliencia rotorica:

El sistema polar esta constituido por varios polos individuales montados sobre el

cubo de la estrella, y el número de ellos depende de cual deba ser la velocidad

sincronía.

La velocidad de la maquina de polos salientes suele ser relativamente baja.

Los polos llevan, si es necesario, en la proximidad del entrehierro, un devanado

amortiguador de cobre desnudo.

Sobre el cubo del rotor se montan aletas que facilitan la ventilación, esto si no se

cuenta ya un ventilador.

Uso para rotores mayor de 4 polos para bajas velocidades.

Se usan en maquinas accionadas por turbinas hidráulicas

( hidrogenerador).

Turboalternadores o maquinas de rotor cilíndrico.

Rotor de polo lisos, redondo o cilíndrico :

El estator viene a ser como el de una maquina de polos salientes, aunque con una

longitud axial considerablemente mayor que el diámetro.

Para velocidades que se presentan en la practica, 1500 a 3600 r.p.m. , el rotor se

construye en forma de tambor o cilindro.

Generalmente este tipo de maquinas es de 2 polos.

Arrollamiento de campo situado en ranuras cortadas axialmente a lo largo

de la longitud del rotor.

Se usa en maquinas que funcionan a altas velocidades accionadas por

turbinas de vapor ( turbo-alternadores).

El rotor tiene un diámetro relativamente pequeño aprox. 90cm.

Se usan para rotores de 2 a 4 polos ( altas velocidades ).

Potencia Eléctrica y Factor de Potencia

En muchos dispositivos eléctricos uno de los parámetros que más interesa es el de la

potencia. Por ejemplo, es importante conocer la potencia suministradas por un

alternador, la potencia consumida por un motor eléctrico, la potencia emitida por

una emisora de radio o televisión, etc.

La tensión aplicada al circuito de elementos pasivos es una función del tiempo. La

intensidad que resulta es, igualmente, una función del tiempo cuyo valor depende de

los elementos que integren dicho circuito.

El producto, en cada instante, de la tensión por la intensidad se llama potencia

instantánea y viene dada por

p = vi

La potencia p puede tomar valores positivos o negativos, según el instante o el

intervalo de tiempo que se considere. Una potencia p positiva una transferencia de

energía de la fuente a la red, mientras que una potencia p negativa corresponde a

una transferencia de energía de la red a la fuente.

Potencia en régimen permanente senoidal:

Potencia activa (P)

Consideremos el caso ideal en que el circuito pasivo contenga,

exclusivamente, un elemento inductivo al que se le aplica una tensión

senoidal de la forma v = Vm sen wt. La intensidad de corriente que circula es

de la forma i = !m sen (wt - 2). El valor de la potencia instantánea es

p = vi = vm im (sen wt) (sen wt - /2)

Como sen (wt -/2) = - cos wt y 2 sen x cos x = sen 2x, podremos escribir

p = - 1 Vm Im sen 2 wt 2

Se pone de manifiesto este hecho.

Cuando v e i son positivos, la potencia p es positiva, por lo que existirá una

transferencia de energía de la fuente a la bobina. Cuando v e i son de signo

contrario, la potencia es negativa, y la bobina devuelve a la fuente la energía

que antes le había suministrado. La frecuencia de la potencia es el doble que

la correspondiente a la tensión o la corriente. El valor medio de la potencia,

que representaremos por P, en un ciclo o período completo es cero.

En el caso ideal, también, de que el circuito estuviese formado por un

condensador puro de capacidad C obtendríamos resultados análogos.

Aplicaremos ahora una tensión v = Vm sen wt a un circuito constituido por

una sola resistencia. La intensidad de corriente que circula por ella es i = lm

sen wt y la potencia correspondiente.

p = vi = Vm lm sen2 wt

Ahora bien, sen2 x = ½ ( l - cos 2x), con lo cual

P = ½ Vm lm ( l – cos 2wt)

En este caso vemos que la frecuencia de la potencia es también el doble de la

correspondiente a la tensión o a la corriente.

Además la potencia es siempre positiva y varía desde cero a un valor

máximo Vm lm. El valor medio de la potencia es ½ Vm lm.

Finalmente, consideremos el caso de un circuito pasivo general. Aplicando

una tensión senoidal v = Vm sen wt, circula una corriente de intensidad i =

lm sen (wt + 0). El ángulo de fase 0 será positivo o negativo, según el

carácter inductivo o capacitivo, respectivamente del circuito. La potencia

instantánea es

p = vi = Vm lm sen wt sen (wt +0)

Ahora bien, sen sen = ½ cos ( - ) – cos ( + ) y cos - = cos

con lo cual

p = ½ Vm lm cos 0 – cos (2 wt + 0)

La potencia instantánea p consta de un término cosenoidal. – ½ Vm lm cos

(2wt + 0) cuyo valor medio es cero, y de un término constante. ½ Vm lm cos

0. En estas condiciones, el valor medio de p o potencia activa P es

P = ½ Vm lm cos 0 = Vl cos 0

en donde V = Vm/ e l = lm/ son los valores eficaces de los fasores V

e I. Respectivamente. El término cos 0 se llama factor de potencia (f.p.). El

ángulo 0 es el que forman V e I y está siempre comprendido entre + 90º.

De aquí se deduce que cos 0 y por tanto. P, es siempre positivo. Sin

embargo, para indicar el signo de 0 diremos que un circuito inductivo en el

que la intensidad de corriente está atrasada respecto de la tensión, tiene un

factor de potencia en retraso. Un circuito capacitivo, como la corriente está

adelantada respecto de la tensión, tiene un factor de potencia en adelanto.

La potencia activa P también se puede deducir de la expresión de definición

de la potencia media P = l

La unidad de potencia activa en el sistema mksa es el vatio (W); como

múltiplo se emplea el kilovatio (k W) de manera que l kW = 1000 W.

Potencia Aparente (S)

El producto V l se llama potencia aparente y se representa por la letra

mayúscula S. La unidad de S en el sistema mksa es el voltio-amperio (VA)

y su múltiplo más empleado es el kilovoltio-amperio (k VA), siendo

l k VA = 1000 VA.

Potencia Reactiva (Q)

El producto Vl sen Q se llama potencia reactiva y se representa por la letra

mayúscula Q.

La unidad de Q en el sistema mksa es el voltio-amperio reactivo (VAR), y su

múltiplo más empleado es el kilovoltio-amperio reactivo (k VAR), siendo l

k VAR= 1000 VAR.

Triángulo de

PotenciasLas expresiones de las potencias activa, aparente y reactiva se pueden representar

geométricamente mediante los lados de un triángulo que se llama triángulo de

potencias.

Sea un circuito inductivo y representemos el retraso de la intensidad de corriente

tomando la tensión V como referencia a continuación es representada la intensidad

de corriente con sus componentes activa y reactiva. La componente activa está en

fase con la tensión V y la componente reactiva está en cuadratura con V, es decir,

defasada 90º en retraso.

Potencia activa P = tensión x componente activa (en fase) de la intensidad = Vl

cos 0

Potencia aparente S = tensión x intensidad = Vl

Potencia reactiva Q = tensión x componente reactiva (en cuadratura) de la

intensidad = Vl sen 0

Potencia de los generadores

En función de sus dimensiones, la potencia de los generadores trifásicos síncronos,

viene expresada por la siguiente fórmula aproximada.

P ≈ 5 d2 l n kVA

d = diámetro interior del estator en cm.

l = longitud del hierro del estator en cm.

n = velocidad de rotación en r.p.m.

Por lo tanto, para una velocidad dada, la potencia máxima está fijada por los valores

de l y de d. El diámetro d está determinado por el valor máximo de la velocidad

periférica y la longitud l, por consideraciones de orden mecánico y por la necesidad

de una eficiente refrigeración. Más adelante, volveremos sobre esta cuestión.

¿QUE PASA SI UN GENERADOR EMPIEZA A ROTAR TREMENDAMENTE MAYOR A LO QUE FUE DISEÑANDA?

Al hacer rotar el generador a una velocidad mucho mayor a la velocidad de diseño, la corriente aumenta a un valor superior a lo estimado como valor máximo, por consecuencia las perdidas por histéresis y por corrientes parasitas aumentan, haciendo que exista perdida de potencia en el generador y se corre el riesgo de dañarlo.