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FUNDAMENTO TEORICO

Generador síncrono

El generador síncrono es un tipo de máquina eléctrica rotativa capaz de

transformar energía mecánica (en forma de rotación) en energía eléctrica. Suprincipio de funcionamiento consiste en la excitación de flujo en el rotor.

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

de una parte fija o estator .

El rotor gira reci!iendo un empuje externo desde (normalmente) una tur!ina. Este

rotor tiene acoplada una fuente de "corriente continua" de excitación

independiente varia!le que genera un flujo constante# pero que al estar acoplado

al rotor# crea un campo magnético giratorio (por el teorema de $erraris) que

genera un sistema trifásico de fuerzas electromotrices en los devanados

estatóricos.

Rotor 

%am!ién conocido como inductor# pues es la parte que induce el voltaje en el

estator. El n&cleo del rotor es construido de lámina troquelada de acero al silicio#

material de excelentes características magnéticas# con la finalidad de evitar

pérdidas por 'istéresis corrientes parasitas.

El ugo es una pieza continua con zapata polar# para así eliminar la dispersión del

flujo por falsos contactos magnéticos. En la zapata polar se 'acen !arrenos para

alojar el devanado amortiguador en jaula de ardilla# diseado con el o!jeto de

reducir armónicas en la forma de onda que entrega el generador.

El rotor gira concéntricamente en el eje del generador a una velocidad sincronica

de *++ revoluciones por minuto (,-) para *+ /z (0++ ,- para 1+ /z).

Tipos constructivos

2a principal diferencia entre los diferentes tipos de generadores síncronos# seencuentra en su sistema de alimentación en continua para la fuente de excitación

situada en el rotor.

• Excitación Independiente3 excitatriz independiente de continua que

alimenta el rotor  a través de un juego de anillos rozantes  esco!illas.

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• Excitatri principa! " excitatri pi!oto3 la máquina principal de continua

tiene como !o!inado de campo otra máquina de excitación independiente#

accionada por el mismo eje.

•

E!ectrónica de potencia3 directamente# desde la salida trifásica delgenerador# se rectifica la seal mediante un rectificador controlado# desde el

mismo se alimenta directamente en continua el rotor mediante un juego de

contactores (anillos esco!illas). El arranque se efect&a utilizando una fuente

auxiliar (!atería) 'asta conseguir arrancar.

• #in esco$i!!as% o diodos giratorios3 la fuente de continua es un

rectificador no controlado situado en el mismo rotor (dentro del mismo)

alimentado en alterna por un generador situado tam!ién en el mismo eje

cuo !o!inado de campo es excitado desde un rectificador controlado que

rectifica la seal generada por el giro de unos imanes permanentes situados

en el mismo rotor (que constituen la excitatriz piloto de alterna).

• Excitación est&tica o por transformador de compoundaje# consiste en que

el devanado de campo del rotor es alimentado desde una fuente de

alimentación a transformador rectificadores que toma la tensión corriente

de salida del estator. El transformador# de tipo especial# posee dos devanados

primarios# llamados de tensión e intensidad# que se conectan en paralelo en

serie a los !ornes de salida del estator. El transformador convierte la tensión

de salida a una más !aja (4+5 aprox)# que se rectifica aplica al rotor por

medio de esco!illas anillos deslizantes. Es un sistema con autorregulación

intrinseca# a que al tener el !o!inado serie# al aumentar el consumo so!re el

generador# aumenta el flujo del transformador por lo tanto aumenta la

excitación del generador.

Características de los generadores síncronos

2a diferencia de funcionamiento en vacío al de carga es que existe unacomposición de flujos# de!ido a las corrientes que circulan en el inducido# éstasalteran el valor forma de la tensión inducida.

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6n incremento de carga es un incremento en la potencia real o la reactivasuministrada por el generador. %al incremento de carga aumenta la corrientetomada del generador. Si no cam!iamos la resistencia de campo# la corriente decampo se mantiene constante# por tanto# el flujo ( tam!ién es constante.

 7demás# si el motor primario mantuviera su velocidad ( constante# la magnitud delvoltaje interno generado tam!ién sería constante.

Fig. 8: Esquema del GS bajo carga

Supongamos un generador síncrono reducido a su mínima expresión3 monofásico#!ipolar# una espira# en los siguientes estados de carga3

a' Carga inductiva pura

En este caso los flujos aparecen en sentido contrario. -roduciendo un efectodesmagnetizaste# es decir que los flujos se restan8 además produciendo que lospolos inducidos de igual nom!re estén enfrentados.

Fig. 9: Esquema del GS y resta de flujos

Supongamos que colocamos una carga con una f.d.p. en atraso le adicionamos

otra con el mismo f.d.p.8 podemos o!servar que el valor de aumenta pero

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mantiene el mismo ángulo de desfase con respecto a entonces tenemos un

incremento en el valor de que como a dijimos antes# de!e conservar el

mismo ángulo de desfase con respecto a a que el valor de es constante#

entonces se produce una disminución en el valor de tal como se muestra en elsiguiente diagrama fasorial.

Fig. !: "iagrama Fasorial del GS con Carga #nducti$a

$' Carga resistiva

El flujo producido por los polos del rotor el producido por las corrientes del

inducido están desfasados. 9enerando así una distorsión del campo resultante.

Fig : Esquema del GS y desfasaje de flujos

Si tuviéramos un generador síncrono con una carga resistiva# le aplicamos otracon el mismo f.d.p. (f.d.p.:)# teniendo en cuenta las mismas restricciones que

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en el caso anterior# podemos o!servar en el diagrama fasorial que el valor dedecrece ligeramente.

Fig. %: "iagrama fasorial del GS con Carga &esisti$a

c' Carga capacitiva pura

En este caso los flujos tienen igual sentido. ;ando como consecuencia un efectomagnetizante# es decir que los flujos se van a sumar8 los polos inducidoscontrarios enfrentados.

Fig ': Esquema del GS y suma de flujos

;el mismo modo que en los casos anteriores# si colocamos una carga con f.d.p.

en adelanto# le agregamos otra con el mismo f.d.p. notamos que el valor de seincrementa realmente# es decir se produce un aumento de la tensión en susterminales# tal como vemos en el diagrama fasorial.

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Fig.: "iagrama Fasorial del GS con Carga Ca)aciti$a

d' Carga R()

En este caso los flujos están desfasados un ángulo que depende de la carga delgenerador8 en consecuencia se produce un efecto desmagnetizaste# la sumavectorial de los flujos es menor8 los polos de igual nom!re enfrentados# serec'azan apareciendo un momento resistente.

Fig *: Esquema del GS y suma $ectorial de flujos

. &EG+,-C#/ "E 0E/S#/ "E +/ GE/E&-"& S#/C&/

6na manera conveniente de comparar el comportamiento de los voltajes de losgeneradores síncronos es mediante su regulación de voltaje# que viene definidapor la ecuación3

;onde es el voltaje del generado en vacío es el voltaje a plena carga delgenerador. 6n generador síncrono que opera con factor de potencia en atrasotiene una regulación de tensión positiva mu grande8 si opera con f.d.p. unitario#

tiene una regulación positiva mu pequea# 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 &nico que demanera aislada alimente su propia carga. Esto sólo se lo puede encontrar enaplicaciones tales como los generadores de emergencia.

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<on o!jeto de aumentar el rendimiento fia!ilidad del sistema# las diferentescentrales están conectadas entre sí en paralelo# por medio de líneas de transporte distribución. 2a red así constituida representa un generador gigantesco en el queprácticamente la tensión la frecuencia se mantienen constantes.

Esto se de!e a que so!re esta gran red# la introducción de un nuevo generador noaltera los parámetros !ásicos anteriores# por representar una potencia mureducida frente al conjunto total.

a) ,esumen de ,eglas para poner en paralelo a los 9S3

%ener varios generadores incrementa la confia!ilidad del sistema de potencia#de!ido a que la falla de cualquiera de ellos no causa la perdida tola de potencia enla carga

%ener varios generadores que operan en paralelo permite la remoción de uno o

más de ellos para cortes de potencia mantenimientos preventivos

Se utiliza un solo generador este opera cerca de plena carga# entonces serárelativamente ineficiente. <on varias maquinas más pequeas tra!ajando enparalelo# es posi!le operara solo una fracción de ellas. 2as que están operando lo'acen casi a plena carga por lo tanto de manera más eficiente.

2a figura 1 muestra un generador síncrono 9 que suministrar potencia a unacarga con otro generador 9= a punto de conectarse en paralelo con 9 por mediodel cierre del interruptor S.

Si el interruptor se cierra de manera ar!itraria en cualquier momento# es posi!leque los generadores se daen severamente que la carga pierda potencia. Si losvoltajes no son exactamente iguales en cada uno de los generadores que seconectan juntos# 'a!rá un flujo de corriente mu grande cuando se cierre elinterruptor. -ara evitar este pro!lema# cada una de las tres fases de!e tenerexactamente la misma magnitud de voltaje ángulo de fase que el conductor alque se conectara. En otras pala!ras# el voltaje de fase a de!e ser exactamenteigual al voltaje en la fase a" así en forma sucesiva para las fases !>!? c>c?.-ara lograr esto se de!en cumplir las siguientes condiciones de puesta enparalelo3

•  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.

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 Fig. !" #enerador que se conecta en paralelo con un sistema de potencia en operación

Estas condiciones de puesta en paralelo requieren ciertas explicaciones. 2acondición es o!via3 para de dos grupos de voltajes sean idénticos# de!en tener la

misma magnitud de voltaje rms.

2os voltajes en las fases a a" serán completamente idénticos en todo momentosi am!as magnitudes sus ángulos son iguales# lo que explica la condición.

 Fig. $" %squema de secuencia de fases.

2a condición = asegura que la secuencia en la que el voltaje de fase llegue a supico en los dos generadores sea la misma. Si la secuencia de fase es diferente enla figura =a entonces aun cuando un par de voltajes (los de fase a) estén en fase#los otros dos pares de voltajes estarán desfasados por =+@. Si se conectan losgeneradores de esta manera# no 'a!rá pro!lema con la fase a# pero fluiráenormes corrientes en las fases ! c# lo que daara am!as maquinas.

!) Procedimiento general para conectar generador en paralelo3

•  &rimero" utilizando voltímetros se de!e ajustar la corriente de campo delgenerador en aproximación 'asta que su voltaje en los terminales sea igual alvoltaje en línea del sistema en operación.

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• 'egundo, la secuencia de fase del generador en aproximación se de!e

comparar con la secuencia de fase del sistema en operación.

Existen muc'as forma de compro!ar esto una de ellas es conectaralternativamente un pequeo motor de inducción a los terminales de cada uno de

los dos generadores. Si el motor gira en la misma dirección en am!as ocasiones#entonces# entonces la secuencia de fase es la misma en am!os generadores. Si elmotor gira en direcciones opuestas# entonces las secuencias de fase sondiferentes se de!en invertir dos de los conductores del generador enaproximación.

Atra manera simple es el método de las tres lámparas incandescentes# laoperación comienza arrancando la maquina por medio del motor primario (tur!ina#diesel# etc.) teniendo en cuenta que de!en prender apagar al mismo tiempo lastres lámparas esto indica que existe la misma secuencia de fase# si prenden apagan mu rápido esto es de!ido a que tiene diferentes frecuencias esto se

arregla su!iendo la velocidad del primario motor# esto se 'ace aumentando el flujocon el reóstato de campo# si prenden apagan en desorden esto indica que notienen la misma frecuencia de fases esto se 'ace intercam!iando la secuencia defases del alternador 'acia la red.

 Fig. (" %squema de secuencia de fases

8. CURVAS DE CAPACIDAD DE UN GENERADOR SINCRONO

2as curvas de capacidad son unas curvas de potencia que nos muestran loslímites de calentamiento del rotor del estator# asumiendo que la tensión en

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!ornes se mantiene constante que -ara explicar cómo se que seo!tienen estas curvas# tenemos el siguiente diagrama fasorial de un generadorcon $- en atraso a tensión nominal.

 Fig. )" Diagrama Fasorial 

En primer lugar notese que se 'a colocado unos ejes en el extremo de 7continuación multiplicamos estos valores por el factor con la finalidad decam!iar la escala de los ejes a unidades de potencia# de esta manera o!tenemosun nuevo diagrama fasorial.

 Fig. *+" uevo Diagrama Fasorial 

En este nuevo diagrama 'a que notar que el origen del diagrama fasorial se

encuentra en el punto además que la longitud correspondiente a

so!re el diagrama vine dado por tam!ién que la proección de

es el valor de '. -or &ltimo 'a que sealar que la curva de capacidad# esun dibujo de - vs B# en la cual el límite del circuito de armadura viene dado por

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una circunferencia con centro en el origen con radio "' "8 el límite de campo es

una circunferencia con centro en -   radio

 Fig *" /urvas de /apacidad del #'