INTENSIDAD DE CAMPO MAGNTICO !"#$ Amperios%&uelta
INDUCCI'N MAGNTICA !(#$ Tesla !T# ) *+,m-
./U0O MAGNTICO !1#$ *e+er !*+#
.UE23A MAGNETOMOT2I3 !.#$ Amperios%&uelta
PE2MEA(I/IDAD !4o#$ 5 % 67 89 ",m
B
GENE2ADO2: transforma la energía mecánica en eléctrica.
La acción se desarrolla por el movimiento de una bobina en
un campo magnético.
máquina por medio de una fuente externa.
T2ANS.O2MADO2: transforma una energía eléctrica de
entrada (CA con determinada magnitud de tensión !
corriente en otra energía eléctrica de salida (CA de
diferentes magnitudes.
'e%co(i$$a%)
e#tra&a a$ ge#era&or 0ue
*ue1e $a (o(i#a &e ca*+o
2EM i#&uci&a
2EM %i#u%oi&a$ i#&uci&a &e
%a$i&a
La% */0ui#a% e$,ctrica% %o# co#1erti&ore% e$ectro*ec/#ico%
ca+ace% &e
tra#%5or*ar e#erg.a &e%&e u# %i%te*a e$,ctrico a u# %i%te*a
*ec/#ico o
1ice1er%a
Estator y rotor cilíndricos Estator cilíndrico y rotor
con polos salientes
rotor cilíndrico
" Los generadores sincr:nicos !s?ncronos# o alternadoresgeneradores
sincr:nicos !s?ncronos# o alternadores son utli#ados para
convertir energía mecánica (derivada del vapor$ del gas$ o de
turbinas %idráulicas en
energía eléctrica CA.
" Los generadores sincrónicos son la fuente principal de energía
actualmente en la
industria eléctrica.
gran potencia$ velocidad constante ! pueden in!ectar potencia !
energía reactiva
(capacitiva (condensador síncrono.
'(t
t
7 5++ /++ / 222 7++
/ 15+ -++ 00 010 201
0 5++ 3++ 03 02 011
7 70/ 57+ 0/ 07 051
60 f n
" 8n generador sincrónico tiene dos partes activas:
" 8n rotor (devanado inductor concentrado o distribuido en ranuras
excitado por 9C.
" 8n estator (devanado inducido distribuido formando un
arrollamiento trifásico$ en el que se genera una fuer#a
electromotri# AC.
" n máquinas peque;as < + =&A$ el devanado inductor esta en
el estator.
" n máquinas grandes que pueden llegar a .+++ > .5++ ?&A la
colocación de los devanados es inversa.
" La manera en que las partes activas de una máquina sincrónica se
enfrían$ determina su tama;o ! su estructura.
M;<uinas eléctricas s?ncronas
Los contenidos aquí expuestos son válidos para alternadores
monofásicos y trifásicos. En el caso del
alternador trifásico, las consideraciones y magnitudes son de
fase
E# a0ue$$a% tur(i#a% 6i&r/u$ica% 0ue gira# a (a3a
1e$oci&a& 'e#tre :<
4 8<< r+*)@ %e re0uiere &e u# gra# #*ero &e +o$o% e#
e$ rotor
M;<uina de polos salientes
N
el rotor
+o$o%@ 4@ =J<< r+* +ara K
+o$o%
co# 6i&r-ge#o o co# agua
e#era# %o(re $o% F<<< MVA
M;<uina polos lisos !rotor cil?ndrico#
Pérdidas
E# e$ co(re7 &e(i&o a $a re%i%te#cia &e
$o% co#&uctore% a$ +a%o &e $a corrie#te
e$,ctrica
2
1
n
= ∑
E# e$ 6ierro7 +,r&i&a% +or 6i%t,re%i% 4
+,r&i&a% +or corrie#te% &e 2oucau$t
'+ar/%ita%)
Mec/#ica%7 &e(i&o a$ roza*ie#to &e
$o% co3i#ete%@ a $a 5ricci-# &e $a%
e%co(i$$a% 4 a $a 1e#ti$aci-#
'roza*ie#to &e$ aire)
3 * *m P A n B n= +
var fijas FE m iables cu P P P P P = +
==?
P,r&i&a% 5i3a% '#o 1ar.a# co# $a carga
&e $a */0ui#a) 4 +,r&i&a% 1aria($e%
'1ar.a co# $a carga co*o $a corrie#te
e$,ctrica)
#ipo de &islamient o
'aracterísticas (perativas de &islamientos
Clase A Constituidos por materiales fibrosos a base de celulosa o
seda$ impregnados con líquidos aislantes@ temperatura máxima de +5
C
Clase E ?ateriales de fibras orgánicas sintéticas@ temperatura
máxima de 0+ C
Clase ( ?ateriales a base de poliéster ! poliimidos aglutinados con
materiales orgánicos o impregnados con éstos @ temperatura máxima
de 2+ C
Clase . ?ateriales a base de fibra de mica$ amianto ! fibra de
vidrio aglutinados con materiales sintéticos$ como siliconas$
poliésteres o epóxidos@ @ temperatura máxima de 55 C
Clase " ?ateriales a base de mica$ amianto o fibra de vidrio
aglutinados con siliconas de alata estabilidad térmica@ temperatura
máxima de /+ C
#ipo de )ervicio
Ser>icio S6 B Continuo
Buncionamiento con carga constante ! de una duración suficiente
para que se estable#ca el equilibrio térmico
Ser>icio S- B Temporal
Buncionamiento con carga constante durante un periodo de tiempo
determinado$ menor que el requerido para alcan#ar el equilibrio
térmico$ seguido de un periodo de reposo suficiente para que la
temperatura descienda %asta igualarse a la del fluido de
refrigeración dentro de un margen de 0
Ser>icio S B Intermitente peri:dico
)ucesión de ciclos de servicios idénticos$ comprendiendo cada uno
un periodo de funcionamiento con carga constante ! un periodo de
reposo. La intensidad de arranque no influ!e apreciablemente en el
calentamiento.
Ser>icio S5 B Intermitente peri:dico con arran<ue
)ucesión de ciclos de servicio idénticos$ comprendiendo cada uno un
periodo de tiempo de arranque$ un periodo de funcionamiento con
carga constante ! un periodo de reposo
Ser>icio S B Intermitente peri:dico con frenado eléctrico
Ser>icio S B Ininterrumpido con carga intermitente
)ucesión de ciclos de ciclos de servicios idénticos$ comprendiendo
cada uno un periodo de funcionamiento con carga constante ! un
periodo de vacio. Do existe periodo de reposo
Ser>icio S9 B Ininterrumpido peri:dico con frenado
eléctrico
)ucesión de ciclos de servicio idénticos$ comprendiendo cada uno un
periodo de arranque$ un periodo de funcionamiento con carga
constante ! un periodo de frenado eléctrico. Do existe periodo de
reposo
Ser>icio SF B Ininterrumpido peri:dico con cam+ios de carga @
>elocidad relacionados
)ucesión de ciclos de servicio idénticos$ comprendiendo cada uno un
periodo de funcionamiento con carga constante correspondiente a una
velocidad de giro determinada$ seguido de uno o varios periodos de
funcionamiento con otras cargas constantes correspondientes a
velocidades de giro diferentes. Do existe periodo de reposo
Ser>icio S 8 Con >ariaciones no peri:dicas de carga @ de
>elocidad
La carga ! la velocidad tienen una variación no periódica en el
margen de funcionamiento admisible. ste servicio inclu!e
frecuentemente sobrecargas aplicadas que pueden ser ampliamente
superiores a la plena carga.
Ser>icio S67 B Con cargas constantes diferentes
D?gitos para indicar el grado de protecci:n IP
n la norma 8D 0+E207 se establece un sistema de especificación
general
en función del grado de protección que se consigue en cualquier
material
eléctrico. l grado de protección se designa con las letras 'F
seguidas de
tres cifras$ de las cuales en las máquinas eléctricas sólo se
utili#an dos.
G cifra: indica la protección de las personas frente a contactos
baHo
tensión !Io pie#as en movimiento en el interior$ así como la
protección de la
máquina frente a la penetración de cuerpos sólidos extra;os.
0G cifra: indica la protección contra la penetración de agua.
2G cifra: indicaría la protección contra da;os mecánicos.
+- mer
o
cuerpos etraHos
ra CI.2A Protecci:n contra los co<ues
mec;nicos
+ )in protección )in protección )in protección
Frotección contra contactos directos casuales de grandes
superficies (eH. la mano. Frotección contra la penetración de
cuerpos sólidos extra;os de diámetro superior a 5+ mm
Frotección contra la caída vertical de gotas de agua
nergía de c%oque: +$005 J
0 Frotección contra contactos directos con los dedos. Frotección
contra la penetración de cuerpos sólidos extra;os de diámetro
superior a 0 mm
Frotección contra caídas de gotas de agua inclinadas en cualquier
ángulo %asta 5 con la vertical
2 Frotección contra contactos directos de %erramientas$ %ilos$ etc.
?a!ores de 0$5 mm de diámetro. Frotección contra la penetración de
cuerpos sólidos extra;os de diámetro superior a 0$5 mm
Frotección contra el rociado de agua en un ángulo de %asta 3+ con
la vertical
nergía de c%oque: +$5 J
7 Frotección contra contactos directos con %erramientas$ %ilos$
etc.$ ma!ores de mm de diámetro. Frotección contra la penetración
de cuerpos sólidos extra;os de
+- mer
o
cuerpos etraHos
ra CI.2A Protecci:n contra los co<ues
mec;nicos
5 Frotección total contra contactos directos. Frotección contra
depósitos de polvo perHudiciales
Frotección contra c%orros de agua en todas las direcciones
nergía de c%oque: 0 J
3 Frotección total contra contactos directos. Frotección total
contra penetración de polvo
Frotección contra inundaciones pasaHeras
nergía de c%oque: 3 J
/ Frotección contra los efectos de inmersión prolongada
- nergía de c%oque: 0+ J
Principio de funcionamiento
" )e basa en la le! de Barada!. Fara crear tensión inducida en el
devanado inducido
o de armadura (estator$ se debe crear un campo magnético en el
inductor o rotor. " l campo magnético en el rotor se crea mediante
la circulación de una corriente
continua ingresada en la máquina a través de anillos ro#antes !
escobillas
(corriente de excitación. " l rotor gira por la máquina motri#
acoplada al eHe. " l giro del campo magnético del rotor inducirá
una f.e.m. o tensión en el devanado
inducido o de armadura (estator que al estar conectada una carga$
producirá la
circulación de una corriente alterna flu!endo a través de él. " La
corriente alterna del estator$ por el *eorema de Berraris$ crea un
campo
magnético giratorio a igual velocidad del rotor.
Carga re%i%ti1a7 $a reacci-# &e$ i#&uci&o e%
tra#%1er%a$ 4 %e %u*a e#
cua&ratura a $a 5** i#&uci&a
Carga i#&ucti1a7 $a reacci-# &e$ i#&uci&o e%
&e%*ag#etiza#te '%e o+o#e a$
i#&uctor)
Carga ca+aciti1a7 $a reacci-# &e$ i#&uci&o e%
*ag#etiza#te '%e %u*a a$
i#&uctor)
Corrie#te &e ecitaci-# co#%ta#te 4 carga
1aria($e
1aria($e
M;<uina con rotor cil?ndrico .luJos dispersi:n de>anado
inducido
)e debe considerar la reactancia del inducido que se debe al fluHo
de dispersión
del estator que no interacciona con el fluHo del rotor. ste fluHo
se desarrolla en
las cabe#as de las bobinas ! dentro de las ranuras donde se sita el
devanado.
M;<uina con rotor cil?ndrico .luJos dispersi:n de>anado
inducido
l fluHo de dispersión que esta en fase con la corriente de
excitación I produce
una caída de tensión (adelantada -+ con respecto a I
E O 3 O I
l fluHo de reacción del inducido (Np4esta en fase con la corriente
de excitación I
produce una caída de tensión p (esta retrasada -+ con respecto
a I
E+ ! 3 + I
n la Bigura de la siguiente lámina$ se consigue sustituir el
triángulo ra!ado de
fmm por otro triángulo semeHante de fem por la proporcionalidad
entre
magnitudes consecuencia de considerar un circuito magnético
lineal.
% O + 'reacta#cia %.#cro#a)
% R 3% 'i*+e&a#cia %.#cro#a)
Eo 5e* e# 1ac.o@ 'V)
V 1o$ta3e e# (or#e% &e */0ui#a %.#cro#a 'V)
R re%i%te#cia &e$ i#&uci&o +or 5a%e 'o6*)
% reacta#cia %.#cro#a +or 5a%e 'o6*)
O reacta#cia &e &i%+er%i-# +or 5a%e 'o6*)
+ reacta#cia &e reacci-# &e$ i#&uci&o
'o6*)
I i#te#%i&a& &e corrie#te 'A)
% varía debido a saturación de la
máquina
constante
coincide con la recta del entre%ierro$
dando lugar a la % no saturada
n la práctica la máquina trabaHa en el
codo de la curva de vacío.
% para fines prácticos se acostumbra
tomar el valor saturado
" Aplica a máquinas síncronas de rotor cilíndrico (?étodo de
Fotier. "l ?étodo de Fotier determina la caída de tensión en la
reactancia de
dispersión O ! la fmm que produce la reacción del
inducido.
"Fara aplicar el ?étodo de Fotier es necesario conocer la curva de
vacío
Eo en función de la fmm 2e ! además reali#ar un ensa!o
con carga
inductiva pura.
"La fmm del inductor es opuesta a la del inducido (des
magneti#ación. "n la curva reactiva$ para obtener V es
necesario e' equivalente OB.
"?B representa la fmm de reacción del inducido 2i
"La fmm resultante equivale al segmento O?. sta fmm induce una
fem
resultante Er P ?C
M;<uinas s?ncrona= An;lisis no lineal
"La fem por la reactancia de dispersión es "O I P CQ
" Asumiendo constante O se puede despla#ar el
triángulo AQC denominado triángulo de Fotier
obteniendo A4Q4C4. "9e esta manera OA4 puede obtenerse de la
prueba
de cortocircuito.
"ealmente CQ que es la fem de dispersión no da O I
sino una nueva reactancia denominada reactancia de
Fotier que es algo inferior a O
M;<uinas polos salientes= 2egulaci:n tensi:n
xisten tres fmm Be@ Bd@ !$ Bq que al considerar la teoría lineal de
la
máquina puede asumir que son fluHos independientes que crea a su
ve#
fem inducida.
E +& ! 3 +& I& E +0 ! 3 +0 I0 I
I& I0
pd P fem de reacción del inducido eHe directo
pq P fem de reacción del inducido eHe cuadratura
Considerando la fem producida por la reactancia de
dispersión.
E O 3 O I
d d o
X X
X X
I I I
I jX E
I jX E
i#&uci&o &e e3e &irecto 4 e3e
cua&ratura
&eter*i#a&a% +r/ctica*e#te
*e&ia#te +rue(a% &e
&e%$iza*ie#to
d d d
od d o
Od E I X X j I jX V E
I I jX I jX V E
)(*)(
;)(
)(
−=−=
+=
=−++=
−++=
8na forma práctica de comparar el comportamiento de la tensión
generada por
dos máquinas sincrónicas$ es a través de la comparación del factor
denominado
regulaci:n de >oltaJeregulaci:n de >oltaJe (&.
l & de un generador síncrono para una determinada carga$ factor
de potencia$
!$ velocidad nominal$ se define como:
n donde:
& fl P es la tensión a la salida del generador a full
carga
nl P (equivalente a
f es la tensión en los bornes sin carga (tensión
interna$
a velocidad nominal$ cuando se quita la carga sin necesidad de
cambiar el campo
actual.
n los generadores con factor de potencia re#agados$ el & es
altamente
positivo. Fara factores de potencia medios$ & es positivo$ !$
para factores de
potencia altos$ el & es negativo.
%100× −
= fl
Alternador en red aislada
" La cantidad de redes aisladas son mínimas (excepto grupos
electrógenos " Cuando el generador está funcionando aisladamente de
un sistema eléctrico (o
sea$ está en una isla de potencia$ la excitación del campo irá a
controlar la
tensión eléctrica generada. " l funcionamiento del generador varía
con el factor de potencia. " )e incorpora el regulador de tensión
que al variar la corriente de carga del
Alternador en red aislada
" La cantidad de redes aisladas son mínimas (excepto grupos
electrógenos " Cuando el generador está funcionando aisladamente de
un sistema eléctrico (o sea$ está
en una isla de potencia$ la excitación del campo irá a controlar la
tensión eléctrica
generada. " l funcionamiento del generador varía con el factor de
potencia. " )e incorpora el regulador de tensión que al variar la
corriente de carga del generador
permite estabili#ar la tensión actuando sobre la excitatri# ('e. "
La máquina primaria (turbina tiene un regulador de velocidad que
acta sobre la entrada
del agua en turbinas %idráulicas$ manteniendo constante la
velocidad ! por tanto la
frecuencia.
Alternador acoplado a la red
" Cuando el generador está conectado a una barra infinita (sistema
eléctrico que
posee diversos generadores interconectados$ la excitación del campo
irá a
controlar la potencia reactiva generada.
" Fara abastecer la demanda se conectan varios grupos de
generadores en
paralelo. La red así constituida RequivaleS a un generador
gigantesco en el que
prácticamente la tensión ! frecuencia se mantienen
constantes.
" n cuador la capacidad instalada en generación esta cercana a
5.+++ ?T.
" La conexión en paralelo de un alternador (generador implica una
serie de
operaciones compleHas que se denomina sincroni#ación de la
máquina.
" Fara sincroni#ar una máquina es necesario que el valor
instantáneo del
generador tenga igual magnitud ! fase que el valor instantáneo de
la tensión de
la red.
" Condiciones para acoplar en paralelo un alternador:
Las secuencias de fases del alternador ! la red deben ser
idénticas.
0 La tensión del generador debe tener un valor efica# igual a la
tensión de
la red ! sus fases deben coincidir.
2 Las frecuencias de ambas tensiones deben ser iguales.
Proceso de sincroniKaci:n
. Llevar la máquina A0 %asta una velocidad próxima a la de
sincronismo.
0. xcitar la máquina A0 de forma que el voltímetro 80 indique el
mismo valor que el
voltímetro 8.
2. Comprobar que las lámparas se enciendan ! apaguen
simultáneamente (máximos !
mínimos simultáneos. )i se presenta luces giratorias es preciso
cru#ar dos conexiones.
7. Actuar sobre la velocidad de A0 para ir reduciendo el parpadeo.
8sar el interruptor de
acoplamiento cuando el apagado de las lámparas dure unos 2
segundos.
Cua#&o $a% agu3a% %e +ara e#
W<X $a% 5recue#cia% %o# igua$e%
4 cua#&o $a% 5recue#cia%
&i5iere# $a agu3a gira e# u#o o
e# otro %e#ti&o
Potencia acti>a @ reacti>a de m;<uina s?ncrona !polos
lisos# acoplada a red infinita
s
o
s
o
s
o
s
o
s
o
s
oo
s
oo
s
o
so
X
X
X
jX
jX
2
maxmax
2
Potencia acti>a @ reacti>a de m;<uina s?ncrona !polos
lisos# acoplada a red infinita
. A U se denomina ángulo de potencia ! también ángulo de
carga.
0. )i UV+ la potencia activa es positiva ! corresponde al
funcionamiento como generador síncrono.
2. )i U<+ la potencia activa es negativa$ la máquina
recibe
potencia activa de la red ! trabaHa como motor síncrono
entregando potencia mecánica en el eHe.
Potencia acti>a @ reacti>a de m;<uina s?ncrona !polos
lisos# acoplada a red infinita
)i UV+ la potencia activa es positiva ! corresponde al
funcionamiento como
WDA9O síncrono.
)i U<+ la potencia activa es negativa$ la máquina recibe
potencia activa de la red !
" 8n motor síncrono$ físicamente es la misma máquina que un
generador$ salvo que la dirección del fluHo de potencia se
invierte.
" Los motores síncronos se utili#an para convertir energía
eléctrica en mecánica.
" Los motores síncronos %abituales se fabrican para la industria
pesada$ en potencias de entre 5+ T (0++ 6F ! 5 ?T (0+.+++ 6F$ !$
tienen velocidades de giro de entre 5+ a /++ rpm.
Motor s?ncrono
" Los motores síncronos se utili#an generalmente en tama;os
grandes$ porque en tama;os peque;os son más costosos en comparación
con las máquinas de inducción.
" l factor de potencia de la máquina sincrónica se puede controlar
mu! fácilmente mediante el control de la corriente de campo.
Motor s?ncrono
)e alimenta el rotor de un motor síncrono con 9C$ de tal manera que
se produ#ca un campo magnético en estado estacionario Q.
)e aplica una tensión trifásica al estator del motor$ lo que
produce un fluHo de corriente trifásica en las bobinas. sta
corriente origina en el devanado del estator$ un campo magnético
uniforme rotacional de magnitud Qs.
For lo tanto$ en el motor están presentes dos campos magnéticos$ !$
el campo del rotor tenderá a alinearse con el campo del estator$
así como dos imanes tienden a alinearse si se colocan uno Hunto al
otro.
Fuesto que el campo magnético del estator está girando$ el campo
magnético del rotor (! el propio rotor va a empe#ar a girar.
Cuanto ma!or sea el ángulo entre los dos campos magnéticos (%asta
cierto límite$ ma!or será el torque en el rotor de la
máquina.
Motor s?ncrono
