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GENERADORES

SÍNCRONOS DOCENTE : MG. NICOLAS DIESTRA SANCHEZ

CHIMBOTE – PERÚ 2018

Introducción Los generadores síncronos trifásicos son la fuente principal de toda la energía eléctrica que consumimos.  Estas máquinas son los convertidores de energía más grandes del mundo. Convierten energía mecánica en energía eléctrica, en potencias de hasta 1500 MW. 

Generadores síncronos comerciales Los generadores síncronos comerciales se construyen con:  campo magnético de cd estacionario o  campo magnético de cd rotatorio.

Generador síncrono de campo estacionario 

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Un generador síncrono de campo estacionario tiene la misma apariencia externa que un generador de cd. Los polos salientes crean el campo de cd, el cual es cortado por una armadura rotatoria. La armadura posee un devanado trifásico cuyas terminales están conectadas a tres anillos colectores montados en el eje. Un juego de escobillas que se deslizan sobre los anillos colectores permite conectar la armadura a una carga trifásica externa. La armadura es impulsada por un motor de gasolina, o alguna otra fuente de potencia motriz.

Generador síncrono de campo estacionario 

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Conforme gira, se induce un voltaje trifásico, cuyo valor depende de la velocidad de rotación y de la corriente directa de excitación en los polos estacionarios. La frecuencia del voltaje depende de la velocidad y del número de polos en el campo. Se utilizan generadores de campo estacionario cuando la salida de potencia es de menos de 5 kVA. Sin embargo, para una salida más grande, es más barato, más seguro y más práctico emplear un campo rotatorio de cd.

Generador síncrono de campo rotatorio 

Un generador síncrono de campo rotatorio tiene una armadura estacionaria llamada estator. El devanado trifásico del estator está conectado directamente a la carga, sin pasar por grandes y poco confiables anillos colectores y escobillas. Un estator estacionario también facilita el aislamiento de los devanados porque no están sujetos a fuerzas centrífugas.

Generador síncrono de campo rotatorio 

El diagrama esquemático de dicho generador, llamado en ocasiones alternador. El campo es excitado por un generador de cd, casi siempre montado en el mismo eje. Observe que las escobillas que están en el conmutador se tienen que conectar a otro juego de escobillas montado sobre anillos colectores para alimentar la corriente directa Ix al campo rotatorio.

Número de polos 

El número de polos en un generador síncrono depende de la velocidad de rotación y de la frecuencia que deseemos producir. Considere, por Vg, el conductor de un estator que es barrido sucesivamente por los polos N y S del rotor. Si se induce un voltaje positivo cuando un polo N pasa frente al conductor, se induce un voltaje negativo similar cuando el polo S hace lo mismo. Por lo tanto, cada vez que un par completo de polos cruza el conductor, el voltaje inducido realiza un ciclo completo.

Número de polos 

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Esto es cierto para cada dos conductores del estator; por consiguiente, podemos deducir que la frecuencia del alternador es

donde f : frecuencia del voltaje inducido [Hz] p : número de polos en el rotor n : velocidad del rotor [r/min]

Características principales del estator 

Desde un punto de vista eléctrico, el estator de un generador síncrono es idéntico al de un motor de inducción trifásico. Se compone de un núcleo cilíndrico laminado que contiene un conjunto de ranuras que portan un devanado trifásico imbricado. El devanado siempre está conectado en Y y el neutro está conectado a tierra.

Características principales del estator Se prefiere una conexión en Y a una delta porque: 1. El voltaje por fase es de sólo 1/√3 o 58% del voltaje entre líneas. Esto significa que el voltaje más alto entre un conductor del estator y el núcleo de éste conectado a tierra es de sólo el 58% del voltaje de línea. 2. Cuando un generador síncrono está sometido a carga, el voltaje inducido en cada fase se distorsiona y la forma de onda deja de ser sinusoidal. La distorsión se debe principalmente a un indeseado voltaje de tercer armónico cuya frecuencia es tres veces la frecuencia fundamental. Con una conexión en Y, los armónicos de línea a neutro distorsionantes no aparecen entre las líneas porque se cancelan entre sí.

Características principales del rotor 

Los generadores síncronos se construyen con dos tipos de rotores: rotores de polos salientes y rotores cilíndricos lisos. Por lo general, los de polos salientes son impulsados por turbinas hidráulicas de baja velocidad, y los cilíndricos, por turbinas de vapor de alta velocidad. Rotor de 36 polos se está bajando al interior del estator

Características principales del rotor 1. Rotores de polos salientes 

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La mayoría de las turbinas hidráulicas tienen que girar a bajas velocidades (entre 50 y 300 r/min) para extraer la máxima potencia de una cascada. Como el rotor está directamente acoplado a la rueda hidráulica, y como se requiere una frecuencia de 50 o 60 Hz, se necesita un gran número de polos en el rotor. Los rotores de baja velocidad siempre tienen un gran diámetro a fin de proporcionar el espacio necesario para los polos. Los polos salientes están montados en un gran armazón circular de acero, el cual está fijo en un eje vertical rotatorio. Para garantizar un buen enfriamiento, las bobinas de campo están hechas de barras de cobre desnudo, con las vueltas aisladas entre sí por tiras de mica. Las bobinas están conectadas en serie, con polos adyacentes de polaridades opuestas.

Características principales del rotor 2. Rotores cilíndricos 

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Es bien sabido que las turbinas de vapor de alta velocidad son más pequeñas y más eficientes que las de baja velocidad. Lo mismo sucede con los generadores síncronos de alta velocidad. Sin embargo, para generar la frecuencia requerida no podemos utilizar menos de dos polos y esto fija la velocidad más alta posible. En un sistema de 60 Hz es de 3600 r/min. La siguiente velocidad más baja es de 1800 r/min, que corresponde a una máquina de 4 polos. Por consiguiente, estos generadores de turbina de vapor poseen ya sea 2 o 4 polos.

Excitación de campo y excitadores 

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La excitación de campo de cd de un gran generador síncrono es una parte importante de su diseño global. La razón es que el campo debe garantizar no sólo un voltaje terminal de ca estable, sino que también debe responder a cambios repentinos de carga para mantener la estabilidad del sistema. La prontitud de respuesta es una de las características importantes de la excitación de campo. Para lograrla, se utilizan dos generadores de cd: un excitador principal y un excitador piloto. También se emplean excitadores estáticos sin partes rotatorias.

Excitación de campo y excitadores 

El excitador principal alimenta la corriente de excitación al campo del generador síncrono por medio de escobillas y anillos colectores. En condiciones normales, el voltaje del excitador queda entre 125 y 600 V. Es regulado manual o automáticamente por señales de control que varían la corriente Ic, producida por el excitador piloto.

Excitación sin escobillas 

Debido al desgaste de las escobillas y al polvo de carbón, constantemente se tienen que limpiar, reparar y reemplazar las escobillas, los anillos colectores y los conmutadores en sistemas de excitación de cd convencionales. Para eliminar el problema, se han desarrollado sistemas de excitación sin escobillas. Estos sistemas se componen de un generador de campo estacionario trifásico cuya salida de ca es rectificada por un grupo de rectificadores.

Excitación sin escobillas 

La salida de cd de los rectificadores es alimentada directamente al campo del generador síncrono.

Curva de saturación sin carga 

La figura muestra un generador síncrono de 2 polos que opera sin carga. Es impulsado a velocidad constante por una turbina (que no se muestra). Los conductores del estator trifásico conectado en Y se conectan a las terminales A, B, C, N y una corriente de excitación variable Ix produce el flujo en el entrehierro.

Curva de saturación sin carga 

Incrementemos gradualmente la corriente de excitación mientras observamos el voltaje de ca Eo entre la terminal A, por Vg, y el neutro N. Con valores pequeños de Ix, el voltaje se incrementa en proporción directa a la corriente de excitación. Sin embargo, conforme el hierro comienza a saturarse, el voltaje se eleva mucho menos con el mismo incremento de Ix. Si trazamos la curva de Eo contra Ix, obtenemos la curva de saturación sin carga del generador síncrono.

Curva de saturación sin carga 

La figura muestra la curva de saturación sin carga real de un generador trifásico de 36 MW cuyo voltaje nominal es de 12 kV (línea a neutro). Hasta aproximadamente 9 kV, el voltaje se incrementa en proporción a la corriente, pero luego el hierro comienza a saturarse. Por lo tanto, una corriente de excitación de 100 A produce una salida de 12 kV, pero si se duplica la corriente, el voltaje se eleva sólo a 15 kV.

Reactancia síncrona circuito equivalente de un generador de ca 

Considere un generador síncrono trifásico con terminales A, B, C que alimentan una carga trifásica equilibrada. El generador es impulsado por una turbina (que no se muestra) y excitado por una corriente directa Ix.

Reactancia síncrona circuito equivalente de un generador de ca 

La máquina y su carga están conectadas en Y y forman el circuito de la figura. Aunque los neutros N1 y N2 no están conectados, se encuentran al mismo potencial porque la carga está equilibrada.

Reactancia síncrona circuito equivalente de un generador de ca 

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Cada fase del devanado del estator posee una resistencia R y cierta inductancia L. Como ésta es una máquina de corriente alterna, la inductancia se manifiesta como una reactancia Xs, dada por donde Xs : reactancia síncrona, por fase [Ω] f : frecuencia del generador [Hz] L : inductancia aparente del devanado del estator, por fase [H]

Determinación del valor de Xs 

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Se mide la corriente de cortocircuito resultante Isc en los devanados del estator y se calcula Xs por medio: donde Xs : reactancia síncrona, por fase [W] En : voltaje nominal de línea a neutro con circuito abierto [V] Isc : corriente de cortocircuito, por fase, utilizando la misma corriente de excitación Ixn que se requirió para producir En [A]

Impedancia base, Xs por unidad 

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Recordemos que cuando se utiliza el sistema por unidad primero se elige un voltaje base y una potencia base. En el caso de un generador síncrono, se utiliza el voltaje de línea a neutro nominal como voltaje base EB y la potencia nominal por fase como potencia base. Por lo tanto, la impedancia base ZB: donde ZB : impedancia base (línea a neutro) generador [W] EB : voltaje base (línea a neutro) [V] SB : potencia base por fase [VA]

Generador síncrono bajo carga 

El comportamiento de un generador síncrono depende del tipo de carga que tiene que alimentar. Existen muchos tipos de cargas, pero todas se pueden reducir a dos categorías básicas.

1. Cargas aisladas, alimentadas por un solo generador. 2. El bus infinito o barra conductora infinita.

Generador síncrono bajo carga  

Iniciaremos nuestro estudio con cargas aisladas. Considere un generador trifásico que suministra potencia a una carga que tiene un factor de potencia retrasado. La figura representa el circuito equivalente de una fase.

Generador síncrono bajo carga 

Para construir el diagrama fasorial del circuito, hacemos que:

1. La corriente I está retrasada un ángulo q con respecto al voltaje terminal E. 2. El coseno q factor de potencia de la carga. 3. El voltaje Ex a través de la reactancia síncrona está adelantado 90° con respecto a la corriente I, la cual está dada por la expresión Ex = jIXs. 4. El voltaje Eo generado por el flujo F es igual a la suma fasorial de E más Ex. 5. Eo y Ex son voltajes que existen en el interior de los devanados del generador síncrono y no es posible medirlos directamente. 6. El flujo F es el producido por la corriente directa de excitación Ix.

Generador síncrono bajo carga 

El diagrama fasorial resultante se da en la figura. Observe que Eo está adelantado d grados con respecto a E. Además, el voltaje Eo generado internamente es más grande que el voltaje terminal, como cabría esperar.

Generador síncrono bajo carga 

En algunos casos la carga es un tanto capacitiva, para que la corriente I esté adelantada un ángulo con respecto al voltaje terminal. ¿Qué efecto tiene esto en el diagrama fasorial? La respuesta se encuentra en la figura. El voltaje Ex a través de la reactancia síncrona sigue 90° delante de la corriente. Además, Eo de nuevo es igual a la suma fasorial de E y Ex.

Generador síncrono bajo carga 

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Sin embargo, el voltaje terminal ahora es más grande que el voltaje inducido Eo, lo cual es un resultado muy sorprendente. En realidad, la reactancia inductiva Xs entra en resonancia parcial con la reactancia capacitiva de la carga. Aunque podría parecer que estamos obteniendo algo por nada, el voltaje terminal más alto no produce más potencia. Si la carga es totalmente capacitiva, se puede producir un voltaje terminal muy alto con una pequeña corriente de excitación. Sin embargo posteriormente veremos que semejante subexcitación es indeseable.

Curvas de regulación 

Cuando un solo generador síncrono alimenta una carga variable, nos interesa saber cómo cambia el voltaje terminal E como una función de la corriente I de la carga. La relación entre E e I recibe el nombre de curva de regulación. Las curvas de regulación se trazan con la excitación de campo fija y para un factor de potencia de carga dado.

Curvas de regulación 

La figura muestra las curvas de regulación para el generador trifásico de 36 MVA y 21 kV. Se dan para cargas que tienen un factor de potencia unitario, un factor de potencia retrasado de 0.9 y un factor de potencia adelantado de 0.9, respectivamente.

Curvas de regulación 

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El cambio de voltaje entre la situación sin carga y la situación a plena carga está expresado como un porcentaje del voltaje terminal nominal. La regulación porcentual está dada por la ecuación:

donde ENL : voltaje sin carga [V] EB : voltaje nominal [V]

Muchas Gracias.