Trabajo de Investigación_Generadores Síncronos

Universidad Politécnica de Sinaloa Programa Académico de Ingeniería en Energía Tecnología de los Generadores Eléctricos “Generadores Síncronos” C. Ana Paola Batani Silva [email protected] 07/09/2016

1. Resumen El presente trabajo tiene como objeto la investigación y el estudio de las principales características de los generadores síncronos, así como sus componentes e interacciones entre ellos, su funcionamiento, leyes en las que se rigen y su uso en los sistemas de generaciones de energía.

2. Abstract This work aims to research and study of the main characteristics of synchronous generators and their components and interactions between them, their operation, laws governing them and their use in power generation systems.

3. Introducción La importancia de la historia de la ciencia eléctrica cobra singular atractivo con el descubrimiento, de Michael Faraday en 1831 sobre inducción electromagnética, esencia de los modernos generadores y motores. El interés por las máquinas se vio en incremento cuando empezó la revolución industrial. Francamente, de no haber una revolución industrial no se hubiera desarrollado tan rápido mucha maquinaria, herramientas, armas, etc. Como las conocemos hoy en día, pues dio incentivos en todo el mundo para desarrollarse y volverse más “modernos”. Una máquina síncrona es una máquina eléctrica rotativa de corriente alterna cuya velocidad de rotación del eje y la frecuencia eléctrica están sincronizadas y son mutuamente dependientes, la máquina puede operar tanto como motor y generador. Las máquinas síncronas se utilizan en mayor medida como generadores de corriente alterna que como motores de corriente alterna, ya que no presentan par de arranque y hay que emplear diferentes métodos de arranque y aceleración hasta la velocidad de sincronismo. También se utilizan para controlar la potencia reactiva de la red por su capacidad para, manteniendo la potencia activa desarrollada constante, variar la potencia reactiva que absorbe o cede a la red.

Objetivo Conocer el funcionamiento, los criterios y régimen por el cual operan los generadores síncronos.

4. Marco teórico El generador síncrono está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y de una parte fija o estator. En las máquinas actuales se coloca un elemento interior giratorio conformado por espiras llamado rotor, y en el elemento externo se coloca otro elemento similar, llamado estator. En el rotor se induce una corriente que genera un Campo magnético. Al hacer girar el rotor mediante un evento externo, se genera un campo magnético giratorio, el cual genera en el estator una diferencia de potencial que será la que genera la corriente a utilizar. 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. La manera como trabaja un generador sincrónico, en un sistema de potencia real, depende de las limitaciones que se le impongan. Cuando un generador trabaja aisladamente, las potencias real y reactiva que deben entregarse son determinadas por la carga que se les asigne y por las marcaciones del gobernador y la corriente de campo que son las que controlan la frecuencia y el voltaje terminal, respectivamente. Cuando el generador se conecta con un barraje infinito, su frecuencia y voltaje son fijos, de tal manera que las marcaciones del gobernador y la corriente de campo controlan los flujos de las potencias real y reactiva del generador. En los sistemas reales que emplean generadores de tamaños aproximadamente iguales, las marcaciones del gobernador afectan tanto el flujo de la frecuencia como al de la potencia y la corriente de campo afecta tanto la tensión en los bornes, como el flujo de potencia reactiva.

5. Desarrollo 5.1 Principio del Generador Síncrono El funcionamiento de un generador es uno de los cuatro principios básicos que describen cómo se utilizan los campos magnéticos, en este caso es si un conductor eléctrico se mueve en presencia de un campo magnético tendrá un voltaje inducido en él.

La ley básica que gobierna la producción de un campo magnético por medio de una corriente es la ley de Ampere, la cual nos dicta que: ∮ H∗dl=I net Donde H es la intensidad del campo magnético producida por la corriente

I net

y dl es el

elemento diferencial a lo largo de la trayectoria de integración. Tiene como unidades amperes-vuelta por metro [1]. La intensidad de campo magnético H es una medida del esfuerzo de una corriente por establecer un campo magnético. La potencia del campo magnético producido en el núcleo depende también del material de que está hecho. Puede expresarse como H=¿ /l n Donde Ni es la corriente que pasa por el camino de integración, es decir, debido a que la bobina de alambre corta dicho camino N veces mientras pasa la corriente i. La relación entre la intensidad de campo magnético H y la densidad del flujo magnético resultante B producida dentro del material se expresa como B=μH Donde

μ

es la permeabilidad magnética del material, es decir, la facilidad para

establecer un campo magnético en un material dado y se mide en henrios por metro y la densidad del flujo magnético resultante B en webers por metro cuadrado. En un circuito magnético la fuerza magnetomotriz es igual al flujo efectivo de corriente aplicado al núcleo F=¿ medida en amperes-vueltas. Esta fuerza magnetomotriz aplicada ocasiona un flujo Φ, por lo que la relación entre la fuerza magnetomotriz y el flujo es F=Φ∗R Donde R es la reluctancia del circuito. La reluctancia del circuito magnético es el homólogo de la resistencia del circuito eléctrico y se mide en amperes-vueltas por weber. En la interacción entre un campo magnético y un alambre conductor puede inducirse un voltaje en el conductor si este se desplaza a través del campo magnético. Esta inducción de voltaje e interacción es el fundamento de la operación de todo tipo de generadores, por la cual se le llama acción generador. El voltaje inducido en el alambre está dado por e ind =( v x B ) ∙l Donde v es la velocidad del alambre, B vector de densidad de flujo y l es la longitud del conductor en el campo magnético.

En un generador síncrono se aplica una corriente de cd al devanado del rotor, esto produce un campo magnético en este. El rotor del generador gira mediante un motor primario, y produce un campo magnético giratorio de la máquina. El campo magnético giratorio induce un voltaje trifásico dentro de los devanados del estator del generador [1].

5.2 Potencia, Par y Velocidad del Generador Síncrono La frecuencia eléctrica que se produce en los generadores síncronos se entrelaza o sincroniza con la tasa mecánica de rotación del generador. El rotor de un generador síncrono consta de un electroimán al que se le suministra corriente directa. El campo magnético del rotor apunta en la dirección en que gira el rotor, entonces la tasa de rotación de los campos magnéticos e el generador está relacionada con la frecuencia eléctrica del estator por medio de la ecuación f e=

nm P 120

Donde

fe

es la frecuencia eléctrica medida en Hz,

nm es la velocidad mecánica del

campo magnético en r/min (igual a la velocidad del rotor de una máquina síncrona) y P es el número de polos. Debido a que el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético, esta ecuación relaciona la velocidad de rotación del rotor con la frecuencia eléctrica resultante. Esta ecuación sirve para calcular la tasa de rotación requerida para cierta frecuencia. En un generador síncrono se debe de tener un motor primario, que es la fuente de la potencia mecánica, la cual debe de tener la propiedad básica de mantener su velocidad constante sin importar la demanda de potencia. De no ser así, la frecuencia resultante del sistema de potencia podría presentar fallas o variar. No toda la potencia mecánica que entra en un generador síncrono se convierte en potencia eléctrica, la diferencia entre la potencia de entrada y la potencia de salida representa las pérdidas en la máquina. La potencia mecánica de entrada es la potencia eje en el generador Pent =τ ap ∗ωm donde τ ap es el par aplicado y ω m es la velocidad mecánica en radianes por segundo, mientras que la potencia mecánica convertida a potencia eléctrica internamente está dada por Pconv =τ ind ∗ωm , donde τ ind es el par inducido. La potencia producida por un generador síncrono depende del ángulo cd par de la máquina δ , entre el voltaje total en una fase V Φ , debido a los dos voltajes presentes en los

devanados del estator, y el voltaje interno generado en el estator

E A . La potencia

máxima que puede suministrar un generador se presenta cuando δ = 90°, expresada como Pmáx =

3VΦ EA Xs

Cuando Sen(δ) = 1, donde

Xs

es la reactancia síncrona de la máquina. . Esta potencia

máxima indica algo llamado límite de estabilidad estática del generador [1]. Entonces el par inducido en un generador síncrono se puede expresar como τ ind =

3 V Φ E A Sen(δ) ωm X s

Esta ecuación describe el par inducido en términos de cantidades eléctricas. 5.3 Diagrama fasorial de un generador síncrono Debido a que los voltajes en un generador síncrono son voltajes de ca, regularmente se expresan como fasores. Los fasores tienen tanto magnitud como ángulo, la relación entre ellos se debe expresar en una gráfica bidimensional. El diagrama fasorial es cuando se hace una gráfica de los voltajes dentro de una fase y la corriente I A (corriente que fluye en cada fase del inducido, es decir, en los devanados del estator) en la fase de tal forma que se muestren las relaciones entre ellos. Por ejemplo, la figura 1 muestra las relaciones cuando el generador alimenta una carga con un factor de potencia unitario (una carga puramente resistiva). El voltaje total E A difiere del voltaje en los terminales de la fase

V Φ por las caídas de voltaje resistivo e inductivo.

Todas las corrientes y voltajes están referenciados a tienen un ángulo de 0° [1].

VΦ

y se asume arbitrariamente que

Figura 1. Diagrama fasorial de un generador síncrono con un factor de potencia unitario.

Este diagrama fasorial se puede comparar con los diagramas fasoriales de los generadores que operan con factores de potencia en retraso o en adelanto, como se observan en la figura 2.

Figura 2. Diagrama fasorial de un generador síncrono con un factor de potencia a) en retraso y b) en adelanto.

Para cierto voltaje de fase y cierta corriente del inducido se necesita un voltaje interno generado E A más grande para las cargas en atraso que para las cargas en adelanto. Por lo que se requiere una corriente de campo más grande para obtener el mismo voltaje en los terminales en las cargas en retraso [1]. Para cierta corriente de campo (en el rotor) y cierta magnitud de corriente de carga, el voltaje en los terminales es menor para cargas en retraso y mayor para cargas en adelanto. En las máquinas síncronas reales, por lo regular la reactancia síncrona es mucho más grande que la resistencia del devanado, por lo que a menudo se desprecia en el estudio cualitativo de las variaciones de voltaje [1].

5.4 Circuito Equivalente del Generador El voltaje

EA

es el voltaje interno generado producido en una fase de un generador

síncrono. Sin embargo, este voltaje normalmente no es el que se presenta en los terminales del generador. El único momento en que el voltaje interno E A es igual al voltaje de salida V Φ de una fase es cuando no fluye corriente de armadura en la máquina [1]. Esta diferencia entre

VΦ y

EA

pueden ser ocasionados por la distorsión del campo

magnético del entrehierro debido a la corriente que fluye en el estator, llamada reacción del inducido, la autoinductancia de las bobinas del inducido (o armadura), la resistencia de las bobinas del inducido o incluso el efecto de la forma del rotor de polos salientes [1]. Cuando gira el rotor de un generador síncrono, se induce un voltaje

E A en los devanados

del estator del generador. La corriente fluye si se añade una carga a los terminales del generador. Pero el flujo de corriente de un estator trifásico produce su propio campo magnético en la máquina. Este campo magnético del estator distorsiona el campo magnético original del rotor y altera el voltaje de fase resultante. Este efecto se le llama reacción del inducido porque la corriente del inducido (estator) afecta el campo magnético que lo produjo en primera instancia. Suponiendo que el generador se conecta a una carga con un factor de potencia en retraso, la corriente pico se presentará en un ángulo detrás del voltaje pico, como se muestra en la figura 3. Al campo magnético producido por la corriente que fluye en los devanados del estator se le llama B s . El campo magnético del estator B s produce su propio voltaje en el estator al cual se le llama

Eestat .

Figura 3. Desarrollo de n modelo de la reacción de inducido: a) Un campo magnético giratorio produce el voltaje interno generado

E A . B) El voltaje resultante produce un flujo de corriente en retraso cuando se

conecta a una carga en retraso. C) La corriente en el estator produce su propio campo magnético produce su propio voltaje

B s , que

Eestat en los devanados del estator de la máquina. D) El campo magnético

B s se suma a B r y se transforma en B net . El voltaje Eestat se suma a E A y produce V Φ en la salida de la fase. Con dos voltajes presentes en los devanados del estator, el voltaje total en una fase es simplemente la suma del voltaje interno generado más el voltaje de reacción del inducido: V Φ =E A + E estat El campo magnético neto estator: B net=Br +B s

B net

es la suma de los campos magnéticos del rotor y del

son iguales y los ángulos de Eestat y B s son iguales, el campo magnético resultante B net coincidirá con el voltaje neto V Φ . El voltaje Eestat tiene un ángulo de 90° atrás del plano de corriente máxima I A . Si X es Debido a que los ángulos de

EA

y

Br

una constante de proporcionalidad, entonces el voltaje de reacción del inducido se puede expresar como: V Φ =E A − jX I A Además de los efectos de la reacción del inducido, las bobinas del estator tienen una autoinductancia y una resistencia. Si se llama L A a la autoinductancia del estator ( y se llama llama

X A a su reactancia correspondiente), mientras que a la resistencia del estator se le R A . Se acostumbra a llamarla como reactancia síncrona de máquina:

Xs=X + X A Entonces se reescribe así:

V Φ =E A − jX I A −R A I A , mostrado en figura 4, del circuito

equivalente de un generador trifásico. Esta figura muestra una fuente de potencia de cd que suministra potencia al circuito de campo del rotor, que se modela por medio de la inductancia y resistencia en serie de la bobina. Dependiendo de como se conecten las tres fases pueden ser en Y o Ϫ. Si se conecta en Y, entonces el voltaje terminar V T está relacionado con el voltaje de fase por

V T =√ 3 V Φ . Si se conecta en Ϫ, entonces

V T =V Φ . Como se muestran en la figura 5, que describe el tipo de conexión Y o Ϫ.

Figura 4. Circuito equivalente completo de un generador síncrono trifásico.

c

Figura 5. El circuito equivalente de un generador conectado en a) Y y b) Ϫ.

5.5 Tipos de rotores y estatores Generador síncrono con polos salientes en el estator El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero al silicio (y se les llama "paquete"), que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los devanados proveen los polos magnéticos. La particularidad de este tipo de generador es que tiene el inducido en el rotor, esta configuración es propia de máquinas de baja y media velocidad y potencia, hasta 1000 rpm.

Por tal razón para poder sacar la tensión producida, necesitamos de un sistema de colector de anillos. El número de anillos a utilizar va a depender directamente del número de fases con la que nos encontremos trabajando. Generador síncrono con polos salientes en el rotor Este generador a diferencia del anterior tiene el inducido en el estator, por tal razón no necesitamos un mecanismo de colector de anillos para extraer la tensión generada ya que esta va a encontrarse en la parte externa de la máquina, necesitaríamos únicamente un par de anillos, con la finalidad de ingresar el voltaje de campo, pero esto es de gran ayuda ya que el voltaje de campo es considerablemente más pequeño que la tensión generada, por tal razón este par de anillos van hacer de medidas pequeñas, y así mismo las escobillas no tendrían un tamaño mayor. Se utiliza este tipo de generadores, para gran potencia, por la versatilidad que nos brinda. Generador síncrono sin escobillas Este tipo de generadores son de mediana potencia, para la excitación podríamos tener un banco de baterías que sería de respaldo, la excitatriz podría ser un alternador, es decir un generador síncrono con polos salientes en el estator, luego de esta etapa, sale a una placa electrónica en donde por medio de dispositivos electrónicos, se envía al circuito de excitación del generador principal. Para realizar reparaciones en este tipo de generadores, es necesario saber sobre dispositivos electrónicos, y centrarse en el controlador. Debido a que no presenta ningún contacto mecánico entre el rotor y el estator estas máquinas requieren mucho menos mantenimiento [2]. Rotor de polos lisos

La velocidad centrifuga ejercida en los rotores de polos lisos es la limitante en el diámetro máximo permitido. Otra limitante que se tiene es la velocidad máxima debido a que para un sistema de 60 Hz, no se puede utilizar menos de 2 polos por lo que la velocidad máxima puede ser 3600 rpm ó 1800 rpm para rotores de 4 polos. Es por eso que para máquinas de gran capacidad los rotores deben tener una longitud muy grande [4].

5.6 Pruebas realizadas al Generador Síncrono 5.6.1 Curvas de corto circuito Esta prueba brinda información acerca de las potencialidades de corriente de un generador síncrono. Se lleva a cabo impulsando el generador a su velocidad nominal, con las terminales del devanado de la armadura en cortocircuito. Se coloca un amperímetro en serie con una de las tres líneas en cortocircuito. Se incrementa gradualmente la corriente del campo y se registra el valor correspondiente de la corriente. La corriente máxima de la armadura en corto circuito no debe exceder el doble de la corriente especificada del generador. Cuando se grafica como función de la corriente del campo, la gráfica se llama

característica en cortocircuito (CCC) de un generador, por razones prácticas, la CCA y la CCC se trazan en la misma gráfica, como se muestra en la figura 6. Puesto que el voltaje en las terminales en estas condiciones es igual a cero, el voltaje por fase generado debe ser igual a la caída del voltaje a través de la impedancia síncrona.

Figura 6. Características de circuito abierto y de corto circuito de un generador síncrono.

5.6.2

Curvas de vacío-carga

La prueba a circuito abierto, o prueba sin carga consiste, en colocar el generador en vacío, es decir sin carga alguna en sus bornes, haciéndola girar a su velocidad nominal y con corriente de campo igual a cero. Al ir aumentando gradualmente el valor de la corriente de campo, se obtienen diversos valores de siempre será cero

y ya que la corriente que circula por la armadura

debido que se encuentra en vacío, se obtendrá que

Gracias a ésta prueba, con los valores obtenidos, se puede formar "La curva de Características de Vacío" que permite encontrar la tensión interna generada por una corriente de campo dada [2]. Mostrándose una gráfica característica a esta prueba, en la figura 7.

Figura 7. Gráfica de la curva de vacío en un generador síncrono.

5.6.3

Curva de impedancia síncrona

A partir de la CCA y CCC es posible graficar la impedancia síncrona como función de la corriente del campo. En la figura 8 se muestra la gráfica. En tanto la densidad de flujo se encuentra abajo del punto de inflexión de la curva de saturación (el flujo es proporcional a la fmm aplicada), la impedancia síncrona es casi constante y se conoce como impedancia síncrona no saturada. Cuando el generador opera arriba del punto de inflexión de su curva de saturación, el voltaje generado es más pequeño de lo que hubiera sido sin saturación. En consecuencia, la impedancia síncrona saturada es menor que su valor no saturado [3].

Figura 8. Curva de impedancia síncrona como función de la corriente del campo.

5.7 Sistemas de Excitación Tienen la función de suministrar la corriente de campo de la máquina, y comprenden todos los elementos de control y de regulación, como así también los dispositivos de protección.

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. La capacidad de potencia del excitador principal depende de la capacidad del generador síncrono. La figura 9 muestra un sistema de excitación común.

Figura 9. Esquema de un sistema de excitación.

5.8 Generador síncrono en un bus infinito Un bus infinito es un sistema tan poderoso que impone su propio voltaje y frecuencia en cualquier aparato conectado a sus terminales. Una vez conectado a un gran sistema (bus infinito), un generador síncrono se vuelve parte de una red que comprende cientos de generadores más que suministran potencia a miles de cargas. Por lo tanto, es imposible especificar la naturaleza de la carga (grande o pequeña, resistiva o capacitiva) conectada a las terminales de este generador particular. Antes de conectar un generador a un bus infinito (o en paralelo a otro generador), debemos sincronizarlo. Se dice que un generador está sincronizado cuando satisface las siguientes condiciones: a) b) c) d)

La frecuencia del generador es igual a la frecuencia del sistema. El voltaje del generador es igual al voltaje del sistema. El voltaje del generador está en fase con el voltaje del sistema. La secuencia de fases del generador es igual que la del sistema.

Inmediatamente después de que sincronizamos un generador y lo conectamos a un bus infinito, el voltaje inducido Eo es igual a, y está en fase con, el voltaje terminal E del sistema. No existe diferencia de potencial a través de la reactancia síncrona y, por consiguiente, la corriente de carga I es cero. Aunque el generador está conectado al sistema, no suministra potencia; se dice que flota en la línea [4].

5.9 Conexión de Generador síncrono en paralelo Debido a que varios alternadores o generadores pueden alimentar una carga más grande que una sola máquina se conectan en paralelo, pues al tener varios generadores incrementa la confiabilidad del sistema de potencia, debido a que la falla de cualquiera de ellos no causa la pérdida total de potencia en la carga. Tener varios generadores que operan en paralelo permite separar uno o más de ellos para cortes de potencia y mantenimientos preventivos. Si hacemos un análisis simple vemos que al usar un solo generador y este operar cerca de plena carga, entonces será relativamente ineficiente. Con varios generadores más pequeños trabajando en paralelo, es posible operar sólo una fracción de ellas. Las que están operando lo hacen casi a plena carga y por lo tanto de manera más eficiente [2].

6. Conclusiones A pesar de no haber hecho pruebas físicas se pretendió con este trabajo simular el comportamiento de un generador síncrono y por consecuente entender su funcionamiento, así también poder saber identificar cuáles son los parámetros que se ven influenciados en la potencia final del generador.

Una de las cualidades que tiene el generador síncrono es que la frecuencia y la velocidad van juntas. Sin embargo, la capacidad de un generador síncrono para producir potencia eléctrica está limitada primordialmente por el calentamiento dentro de la máquina. Por este motivo se tiene que tener cuidado de no sobrecalentar los embobinados ya que podrían reducir el tiempo de vida útil de la máquina. Este tipo de generador es utilizado comúnmente con turbinas eólicas, pues suelen usar imanes en el rotor alimentados por la corriente continua de la red eléctrica. Dado que la red suministra corriente alterna, hay que convertir la corriente alterna en corriente continua antes de enviarla a las bobinas arrolladas a los electroimanes del rotor. Estos electroimanes están conectados a la corriente mediante escobillas y anillos rozantes en el eje del generador.

7. Referencias [1] Stephen Chapman. Máquinas Eléctricas. Editorial Mc- Graw Hill. 3ra edición. 2003

[2] J. S. Chamba, «Tipos de Generadores Síncronos,» [En línea]. Available: http://www.monografias.com/trabajos89/tipos-generadores-sincronos/tipos-generadoressincronos.shtml. [Último acceso: 07 09 2016]. [3] Desconocido, «CAPITULO 1 GENERADOR SÍNCRONO,» [4] Theodore Wildi. Máquinas Eléctricas y sistemas de potencia. Editorial Pearson Educación. 6ta edición. 2007