generadores sÍncronos
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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.